CoNx掺杂石墨烯材料 促进金属锂均匀形核

日期:2018-11-28 / 人气: / 编辑:jutan / 来源:互联网

锂金属负极以其极高的理论容量(3860 mAh g−1)和最负的电势(−3.040 V vs. 标准氢电极)而被称为“圣杯”电极。以金属锂为负极的锂金属电池,包括锂硫电池、锂空电池和固态锂氧化物电池等,表现出了极高的理论能量密度,有望将手机的续航时间、电动汽车的续航里程显著延长,助推我国汽车领域的弯道超车。

但是,目前的高安全二次金属锂电池的研究还处在原型验证阶段。锂负极的枝晶形成和生长导致活性材料利用率下降,循环寿命缩短,显著限制金属锂电池实用化。调控金属锂的形核行为是抑制金属锂负极的枝晶生长的第一步,是调控金属锂沉积的起点和关键。在金属锂负极中引入骨架材料,尤其是碳材料,通过低局部电流密度沉积可以缓解金属锂负极的枝晶快速生长,但是碳本身的“憎锂性”使得碳骨架材料往往具有较大的金属锂形核过电势,限制了其在金属锂负极中的应用。

清华大学张强教授课题组采用原子级分散CoNx位点的双掺杂石墨烯材料作为骨架材料,有效调控金属锂的形核行为,抑制金属锂的枝晶生长。Co与N的协同作用,能够调节石墨烯局域位置的电子结构,实现对锂离子更强的吸附能力,降低金属锂的形核过电势,从而促进金属锂的均匀形核。通过扫描和透射电子显微镜的表征发现,金属锂在CoNx掺杂石墨烯材料上的形核更加均匀,沉积形貌更加平整,无枝晶的出现。均匀的沉积形貌,带来了优异的电化学循环性能。

当电流密度分别为2.0、5.0、10.0 mA cm−2时(容量控制在2.0 mAh cm−2),金属锂在CoNx掺杂石墨烯材料中的利用率可达到99.2%(400圈)、99.2%(350圈)、98.2%(200圈)。应用于磷酸铁锂的全电池时,CoNx掺杂石墨烯材料改性的金属锂负极依然可以获得340圈(1.0 C)的循环寿命(普通锂片:240圈)。该工作提出的Co/N双掺杂策略能够有效调控石墨烯的局域电子结构,实现对金属锂沉积行为的调控。通过对掺杂元素种类和含量进行更多尝试,并对其在全电池中的沉积行为进行充分研究,将会对金属锂电极的实际应用产生重要价值。

相关研究论文发表在 Small Methods(DOI: 10.1002/smtd.201800354)上,题为“Uniform Lithium Nucleation Guided by Atomically Dispersed Lithiophilic CoNx Sites for Safe Lithium Metal Batteries”。