北京大学侯仰龙团队Nano Energy:锂金属部分合金化制备稳定锂金属负极

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作者简介
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侯仰龙于2000年在哈尔滨工业大学获得材料科学博士学位。在北京大学短暂的博士后培训后,他分别于2002年至2007年在东京大学和布朗大学担任JSPS外国研究员和研究员助理。2007年12月加入北京大学,现为教育部长江学者特聘教授。他的研究兴趣包括功能性纳米颗粒以及其在生物医学和能源方面的应用。
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成果速览
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近日,北京大学侯仰龙团队在Nano Energy期刊上发表题为“Stable Lithium Metal Anode Enabled by Lithium Metal Partial Alloying”的研究型论文。在这项工作中,作者制备了Li/LixC/LiySn(Li/C/Sn)复合负极。电化学测试和循环后的分析揭示了锂合金相促进均匀锂沉积和抑制锂枝晶生长的有效性。总之,找到有效抑制锂枝晶的方法是促进锂金属电池商业化的必由之路。
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研究亮点
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1. 成功制备了均匀分布的Li/LixC/LiySn合金负极。
2. 均匀的锂合金促进了锂的均匀沉积,抑制了枝晶的生长。
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图文导读
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Li/LixC/LiySn(Li/C/Sn)复合负极制备示意图

 

通过将CMK-3/Sn粉末分散在锂金属内部,然后多次折叠和轧制,加热至270 ℃,最后锂与碳和锡一起形成合金。

 

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Li/C/Sn复合电极的相组成可由XRD图谱得到。上图b-g显示了初始Li和Li/C/Sn的表面微观形貌。与初始锂不同,Li/C/Sn复合负极表面可以观察到嵌在锂金属中的一些锂合金颗粒。EDS元素分析表明C和Sn均匀分布(图h)。

 

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锂金属的沉积和脱出不均匀是导致多次循环后锂枝晶生长的主要原因。而锂在锂合金中处于离子态,它可以诱导锂金属的沉积,减少锂的枝晶。因此,在改性锂金属负极中,LixC和LiySn合金的存在可以促进锂金属的均匀沉积,抑制锂枝晶生长。

 

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为了证明锂合金相可以促进锂金属均匀沉积和脱出,作者对Li/Li和Li/Li/C/Sn对称电池的循环性能进行了测试。

 

由于电极表面存在钝化层,Li/Li和Li/Li/C/Sn的对称电池在最初的几十个循环中表现出较高的过电位。随着循环的进行,过电位趋向于变小和稳定。Li/Li/C/Sn电池可以稳定循环1800小时,在电流密度1 mA cm-2下的过电位约为15 mV。在5 mA cm-2的较高电流密度下,Li/Li/C/Sn对称电池仍表现出较好的循环性能,在290h内仍具有稳定的过电位。通过比较Li/Li/C和Li/Li/C/Sn对称电池的循环性能,可以看出Li/Li/C/Sn表现出更好的循环性能,表明LiySn可以诱导均匀的锂金属沉积和生长。

 

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循环后的SEM图像用于分析电池电化学性能增强的原因。上图显示了经过250次循环后的初始Li和Li/C/Sn电极的SEM图像。循环的Li/C/Sn电极表面保持光滑,无锂枝晶。然而,在原始锂金属电极表面观察到许多裂纹和锂枝晶。锂沉积行为的差异解释了循环稳定性提高的原因,证明了锂合金相诱导均匀锂沉积的有效性。

 

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上图为Li/LiFePO4和Li/C/Sn/LiFePO4全电池在2.5-4.0 V充放电电压窗口下的倍率性能和循环性能。Li/C/Sn/LiFePO4全电池表现出比Li/LiFePO4更好的倍率性能和更低的极化。电池在1 C倍率下的循环发现,锂负极组装的全电池表现出快速的容量衰减,200次循环后容量保留率仅为62.1%。相比之下,Li/C/Sn/LFP全电池表现出更好的循环性能,仍保持121.2 mAh g-1,200次循环后容量保留率为84.7%。

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总结与展望
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总之,作者通过将CMK-3/Sn粉末分散在锂金属内部,经过多次折叠轧制和熔炼工艺,成功地制备了具有均匀分布的锂合金相的Li/C/Sn复合负极。对循环电极的SEM分析表明,复合电极中锂合金相的引入可以诱导锂的沉积行为,使电极表面光滑无枝晶。由于这些优点,Li/C/Sn电极表现出更好的循环稳定性。这项工作提供了一种简单的方法来诱导均匀的锂沉积,并获得高能量密度锂金属电池的无锂枝晶负极。
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文献信息
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Stable Lithium Metal Anode Enabled by Lithium Metal Partial Alloying. (Nano Energy,2019,DOI: 10.1016/j.nanoen.2019.103989)

原文链接:https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2019.103989

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