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西北工業大學AEM:借助富含邊界的石墨烯納米片實現鋰的零過電勢成核

鉅大LARGE  |  點擊量:2296次  |  2019年03月27日  

高循環穩定性鋰(Li)金屬負極的開發是實現高比能鋰金屬電池的關鍵。然而,不均勻傳質和電荷轉移導致的Li枝晶形核與生長,不僅造成電池低的庫侖效率和快速的容量衰減,還可能導致電池內部短路,帶來嚴重安全隱患,極大地阻礙了鋰金屬電池的實用化進程。

為解決上述問題,研究人員提出了一系列方法來調控Li的沉積行為(例如加強Li表界面的穩定性、降低局部電流密度等)。其中構建不同3D導電網絡(如石墨微管支架,碳納米管/納米纖維泡沫,熱解碳骨架,3D石墨烯/Ni和3DCu)來抑制Li枝晶生長被認為是一種簡單而有效的方法。然而,Cu和傳統結構sp2雜化碳與Li金屬之間差的親和力通常會造成明顯的成核障礙(表現出較大的成核過電勢)和不理想的循環穩定性。

最近,富含邊緣的石墨烯(ERG)在電化學應用中引起了關注。與結構連續的傳統sp2碳相比,ERG豐富的暴露邊界結構,使其具有更加明顯的π電子分布不均勻性,甚至表現出完全的局域化狀態。因此,在ERG中會形成強烈的局部負電荷積累,這能夠有效增強ERG對Li離子的吸附能力,進而顯著降低Li在其表面的成核過電勢,如圖1a所示。基于這個假設,若將ERG分散嫁接到傳統結構的3D碳導電網絡中,可顯著促進碳網絡對Li枝晶的抑制作用,進一步提高3D碳/鋰金屬復合負極的循環穩定性。

【成果簡介】

近日,西北工業大學謝科予教授和美國特拉華大學魏秉慶教授課題組(共同通訊作者)在能源期刊AdvancedEnergyMaterials(影響因子:16.72)上發表“VerticallyGrownEdge‐RichGrapheneNanosheetsforSpatialControlofLiNucleation”研究論文,論文第一作者宋強。研究人員采用基于CH3OH前驅體的化學氣相沉積法,在多孔3D碳納米纖維(CNF)基底上垂直生長了大量共價連接的ERG。研究結果表明,相對于純3DCNF/Li復合負極表現出的顯著成核過電勢,ERG-3DCNF/Li復合負極幾乎沒有成核過電勢。ERG-3DCNF表面Li的沉積尺寸僅有200-300nm,且沉積均勻,而純CNF基底上沉積尺寸則為微米級、分布不均。這說明ERG可以有效誘導Li的沉積,這種改善的Li沉積行為賦予Li負極優異的循環穩定性。同時,研究發現,若在ERG表面沉積薄層熱解碳,在一定程度上修復其邊界結構后,3D基底又重新表現出一定的Li成核過電勢。這說明,大量邊界結構的存在是ERG誘導Li無過電勢成核的關鍵,邊界結構可以有效促使π電子局域化,加強碳材料表面的局部電負性,進而增強其對鋰離子的吸附與結合。與3DCNF基底相比,ERG改性的3DCNT基底能更好地解決了Li金屬負極的循環穩定性問題,從而賦予Li金屬電池更長壽命和更高庫侖效率。該研究結果為開發具有高循環穩定性的下一代鋰/碳復合負極提供了新視角。

【總結與展望】

該研究成功在納米碳纖維表面垂直生長了ERG,其豐富的開放邊緣結構可使得π電子局域化并增強石墨烯表面的電負性,促進其對電解液中Li+的強吸附,進而有效降低Li的成核勢壘。與沒有ERG的3DCNF基底相比,3DERG-CNF能更有效地引導Li沉積,從而實現對Li成核的空間控制,提高Li金屬負極的循環穩定性。

該工作受到國家自然科學基金(51432008,51674202,U1435202,51502242和51521061),陜西省自然科學基金(2017JM5038)、西北工業大學翱翔新星計劃(G2016KY0307)和陜西省重點研發計劃(2017ZDCXL-GY-08-03)等項目的支持。

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