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TiC/C核壳纳米线骨架用于负载稳定的三维锂金属负极

TiC/C核壳纳米线骨架用于负载稳定的三维锂金属负极

由于锂金属具有高理论容量(3860mAh/g)和低电位(-3.04V,相对于标准氢电极),锂金属负极(LMA)被誉为下一代二次电池的“圣杯”。由于锂硫、锂空电池的发展,以及纳米技术的提高,LMA再次引起了科研界和工业界极大的关注。然而循环过程中,锂枝晶的肆意生长会造成SEI膜不稳定、体积膨胀,甚至会刺破隔膜,引发电池使用的安全问题。

由于锂金属本身没有“宿主”材料,因此这也就意味着其循环过程中无限的相对体积变化,而有序纳米多孔骨架的引入可以显著均匀化电场分布,减低电流密度,并抑制体积膨胀,从而进一步稳定SEI膜,提高锂金属的库伦效率。

鉴于此,近期浙江大学涂江平教授、夏新辉研究员和清华大学张强教授等人通过一步气相合成的方法,直接在Ti6Al4V基底上合成具有亲锂性能的TiC/C核壳结构的阵列基底。随后,将熔融液态锂灌注到TiC/C三维骨架中,直接得到TiC/C/Li的三维锂金属复合负极。主要优势可归因于以下几点:(1)多孔框架为容纳锂金属提供了极大有效容积,并很好地束缚了体积膨胀;(2)基底材料本身极高的内表面积,有效降低电极的有效电流密度,从而显著改善了枝晶生长状况(3)TiC/C阵列本身具有极高的导电性,促进锂离子流均匀分布及电子均匀传递,从而利于金属锂良好沉积。此成果发表在国际期刊Adv. Energy Mater.上(影响因子:16.721)。


TiC/C核壳纳米线骨架用于负载稳定的三维锂金属负极

图1(a)TiC/C/Li制备过程机理图;(b)XRD图;(c-d)TiC/C的断面和平面图;(e)TiC/C的TEM图;(f-g)TiC/C/Li的断面和平面图;(h)TiC/C/Li的TEM图;

TiC/C核壳纳米线骨架用于负载稳定的三维锂金属负极

图2(a-b)纯Li和TiC/C/Li表面在锂形核过程电场拟合图;(c-d)不同电极脱嵌锂示意图;(e-g)剥离沉积锂过程,TiC/C/Li形貌变化图

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图3 锂金属负极的电化学性能(a-c)不同电流密度下,对称电池在LiPF6中恒流恒时间循环稳定性;(d)倍率性能图;(e)阻抗比较图;(f)在1mA/cm^2下,库伦效率性能比较图(f)完全脱锂对应电压-容量曲线。


这项工作中,研究人员将核壳纳米阵列结构引入到复合锂金属负极中,实验表明这种复合电极在促进锂离子均匀沉积剥离的同时又能有效地形成较稳定的SEI膜;实验还证明该电极材料具有低极性和优异的循环稳定特性。此成果为设计锂金属负极提供了一项策略原则,尤其是核壳纳米结构引入提供了新的借鉴。


Sufu Liu, Xinhui Xia*, Yu Zhong, Shengjue Deng, ZhujunYao, Liyuan Zhang, Xin-Bing Cheng, Xiuli Wang, Qiang Zhang*, and Jiangping Tu*,Three-dimensional TiC/C Core/Shell Nanowires Skeleton for Dendrite-Free andLong-Life Lithium Metal Anode, Adv. Energy Mater., DOI: 10.1002/aenm.201702322

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