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Li-rGO构建3D负极材料

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固态Li金属电池具有高能量密度和高安全性,所以它在新一代储能器件中极具潜力。因此,固态Li金属电池电解质也被深入研究,尽管有几种材料具有高的离子导电性,但是,这些电解质在锂金属固态电池实际应用中,还存在三大障碍,即在Li金属/电解质界面间存在高阻抗;面容量低和输出功率低

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图1 3D Li负极与流动界面相组装过程流程示意图

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图2 作中间层流动的PEG和CPE表征 (A) PEG的粘度系数 (B, D) 流动的PEG在3D Li-rGO电极上热处理前的SEM和照片(C, E) 流动的PEG在3D Li-rGO电极上热处理后的SEM和照片(F) PEO、CPE和PEG的DSC曲线 (G) 离子导电性 (H) 热稳定性


为解决以上问题,斯坦福大学崔屹课题组的工作人员设计出适应于这个体系的3D锂金属负极和流动界面层。流动界面层可以调整界面波动和保障附着性良好而3D锂金属可以减少整个电极界面从几十个微米到亚微米级的波动和降低高电流密度对电极电化学性能的影响

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图3 (A) Li箔负极的沉积/剥离过程示意图(B) 3D Li-rGO负极的沉积/剥离过程示意图 (C) 不同电流密度下的电压 (D, E) C的细节展示 (F) 长循环稳定性

 

作者将材料制备成对称电池,在循环后的所有电池中,发现使用3D锂金属-还原氧化石墨烯(3D Li-rGO)和流动的聚乙二醇(PEG)具有最小阻抗,也证明了3D Li-rGO和流动的PEG间具有稳定的相界面。Li-rGO构建3D负极材料

图4 CPE作固态Li-LFO全电池的中间层 (A) 倍率图 (B, C) 对应A的充放电曲线 (D) 60℃时的长循环 (E) 80℃的倍率(F,G) 对应E的充放电曲线 (H) 80℃时的长循环

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图5 LLZTO作固态Li-LFO全电池的中间层 (A) 全电池示意图 (B) LLZTO膜照片(C)工作的固态电池(D)全电池的充放电曲线(E)室温下的循环性能


在复合聚合物电解质(CPE)做中间层的固态Li-LFO全电池测试中,3D Li-rGO做负极的倍率性、长循环稳定性、充放电稳定性以及低温电化学性能均优于Li箔做负极。且在陶瓷电解质作中间层的全电池中呈现出类似的结果。3D Li-rGO表现出如此好的电化学性能作者给出的解释是,3D Li-rGO高的比表面积可以显著降低高电流密度的影响和降低体积变化的程度,同时提高电池动力学性能和减小电解质分层的可能性而且3D Li-rGO的表面通过流动聚合物电解质连接固态电解质界面,有效的调控可循环过程中表面的波动。从而有效降低过电位,大大提高电池的循环稳定性


参考文献

Yayuan Liu, Dingchang Lin, Yang Jin, Kai Liu, Xinyong Tao, Qiuhong Zhang, Xiaokun Zhang, Yi Cui, Transforming from planar to three-dimensional lithium with flowable interphase for solid lithium metal batteries, Sci. Adv. 2017;3: eaao0713


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