德州农工大学AFM: 多孔碳纳米管支架MOF层的镀锂调节实现大累积容量

锂金属的高比容量是满足当前可充电电池需求的理想选择，但锂枝晶和不可逆的体积膨胀是应用的主要障碍。

3D锂主体材料可以通过大表面积降低电流密度并在其孔隙中容纳锂金属来缓解这些问题。然而，由于锂离子通过曲折孔扩散缓慢导致锂枝晶堵塞，从而导致枝晶生长，因此持续观察到锂枝晶。

在此，美国德克萨斯农工大学Choongho Yu博士等人将MOF层涂覆在化学处理的碳纳米管支架（C-CNT）整个外表面（LM-CNT）或支架中的单个碳纳米管（IM-CNT）上，通过在动态现场原位（operando）条件下直接可视化电池和在扫描电镜下对碳纳米管电极横截面的非原位观察研究其镀锂行为。

CNT支架外侧的MOF层增加了多孔支架中锂的嵌入（8 mA cm^-2时为24 mAh cm^-2）和锂电镀/剥离寿命（保持20 mAh cm^-2循环1700 h以上）。

图1. 基于LM-CNT、C-CNT、IM-CNT电极电池的operando观察

MOF具有足够大的孔以供锂离子渗透，其电绝缘特性会产生电容效应，将锂离子分布在MOF层的表面，以避免在镀锂过程中出现枝晶生长和堵塞。

因此，LM-CNT负极具有出色的体积和重量容量（≈940 mAh cm^-3和≈980 mAh g^-1）以及出色的累积容量（≈4.9 Ah cm^-2）。这种有前途的方法可以在存储锂时无枝晶，以提供当前可充电电池所需的高能量密度。

图2. LM-CNT电极的横截面SEM图像及电化学性能

Large Cumulative Capacity Enabled by Regulating Lithium Plating with Metal-Organic Framework Layers on Porous Carbon Nanotube Scaffolds. Advanced Functional Materials 2021. DOI: 10.1002/adfm.202104899

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德州农工大学AFM: 多孔碳纳米管支架MOF层的镀锂调节实现大累积容量

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