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超细银纳米颗粒作为锂金属负极沉积晶种

超细银纳米颗粒作为锂金属负极沉积晶种

锂金属负极因具有高的理论比容量(3860 mAh/g)和较低的电化学电位(-3.14 VS 标准氢电极)而备受关注。但在沉积过程中锂枝晶的形成,锂金属界面的不稳定性以及巨大的体积变化等问题严重制约了锂金属负极的实际应用。特别是,锂枝晶的生长会导致低库伦效率、较差的循环寿命以及严重的安全性问题。构建三维锂金属主体结构是有效解决上述问题的方法,因为能有效地调节锂沉积过程,抑制了锂枝晶的生长,降低局部电流密度。由于三维主体材料(C或Cu)与Li金属润湿性差,在Li金属成核过程中会出现成核过电位,不利于Li金属沉积在主体材料上。近期,斯坦福大学崔屹课题组基于晶种法使金属锂在特定基底材料上选择性沉积。异质纳米晶种分散在三维基质骨架上有利于引导锂金属沉积在三维基质上,从而抑制锂枝晶的生长。

超细银纳米颗粒作为锂金属负极沉积晶种

图1 (a)Li金属沉积在AgNPs三维主体材料上的合成过程示意图;(b)Li金属沉积在CNFs基质上的合成过程示意图。

有鉴于此,美国马里兰大学胡良兵课题组等人通过快速焦耳加热法合成出超小Ag纳米颗粒(AgNPs)均匀地分布在碳纤维(CNFs)上,作为纳米晶种引导Li金属在三维主体材料中的沉积,有效地解决了Li金属阳极的锂枝晶问题。Ag纳米晶种有效地降低了Li金属的成核过电位,并引导Li均匀地沉积在三维碳基质上,合成出没有锂枝晶的Li金属负极。此成果发表在国际期刊Advanced Mateials 上。

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图2 (a)Li金属在AgNP/CNFs上的成核和生长示意图;(b)AgNP/CNFs的SEM图;(c)Li金属在AgNP/CNFs上成核过程SEM图;(d)Li金属在AgNP/CNFs上生长过程SEM图;(e)AgNP / CNFs第一次电镀/剥离后的SEM图;(f)CNFs的SEM图;(g)Li金属在CNFs上沉积的SEM图;(h)通过常规炉加热合成Ag-CNF以及Li金属沉积在上面(i)的SEM图。

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图3 Li金属在Bare CNFs(a)和AgNP/CNFs(b)上电镀/剥离的循环性能图;(c)Li金属在Bare CNFs和AgNP/CNFs上的充放电曲线图;(d)Li金属在AgNP/CNFs上的阻抗图。

在电化学测试中,基于上述法合成出的Li金属负极表现出较低的成核过电位(≈25 mV)和优越的循环稳定性。循环500次后,没有出现短路现象。这个主要是因为经过超细纳米Ag晶种改性的碳纤维基质可以有效调节Li沉积行为并抑制Li枝晶的生长。此成果为以后设计锂金属电极提供了新的思路。

 

参考文献:

ChunpengYang, Yonggang Yao, Shuaiming He, Hua Xie, Emily Hitz, and Liangbing Hu. UltrafineSilver Nanoparticles for Seeded Lithium Deposition toward Stable Lithium MetalAnode, Adv. Mater. 2017,DOI: 10.1002/adma.201702714.

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