快趣直播免费版app下载 - 快趣直播app大全下载最新版本免费安装软件

當(dāng)前位置: 電池聯(lián)盟網(wǎng) > 前沿 >

上海硅酸鹽所在鋰金屬電池負(fù)極的MOF衍生涂層及其電鍍傳質(zhì)模式研究中取得系列進(jìn)展

時(shí)間:2021-05-17 08:39來(lái)源:中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所 作者:綜合報(bào)道
點(diǎn)擊: 129 次
 
  金屬鋰由于具有高的理論比容量(3860mAhg-1)和低的電化學(xué)電位(-3.04V vs. SHE),被認(rèn)為是下一代高能量密度電池的理想負(fù)極材料。近年來(lái),具有三維多孔骨架的鋰金屬負(fù)極受到廣泛關(guān)注,其高比表面積可降低局部電流密度,緩解鋰金屬體積膨脹,有助于實(shí)現(xiàn)枝晶緩和的鋰沉積。然而,三維骨架的疏鋰性或親鋰位點(diǎn)松散外露易導(dǎo)致鋰金屬不能有效沉積在其內(nèi)部間隙或空腔中,減弱了多孔電極對(duì)鋰金屬成核和限域調(diào)控的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)。
 
  最近,中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所李馳麟研究員團(tuán)隊(duì)通過(guò)在三維金屬有機(jī)框架(MOF)衍生的中空膠囊中內(nèi)置親鋰的Au或Co-O納米顆粒種子,提出可使鋰金屬接續(xù)誘導(dǎo)成核-限域生長(zhǎng)的雙調(diào)控模式。這一播種誘導(dǎo)下的鋰金屬電鍍可實(shí)現(xiàn)無(wú)過(guò)電勢(shì)的成核過(guò)程,促進(jìn)了鋰金屬對(duì)異質(zhì)骨架膠囊的豐富洞腔的內(nèi)注射式傳質(zhì),實(shí)現(xiàn)鋰金屬在內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)中的充分填充和限域生長(zhǎng)。這一機(jī)制成功誘導(dǎo)了過(guò)量鋰鍍層的保形包覆,抑制了其體積和厚度的膨脹。這些過(guò)程被透射電鏡成像技術(shù)成功監(jiān)控。相關(guān)成果以“Consecutive Nucleation and Confinement Modulation towards Li Plating in Seeded Capsules for Durable Li-Metal Batteries”為題發(fā)表在期刊Angew. Chem. Int. Ed.上。
 
  該團(tuán)隊(duì)通過(guò)單寧酸(TA)刻蝕Au@ZIF-8并碳化,得到核殼結(jié)構(gòu)的膠囊材料(c-Au@ZIF-8)。內(nèi)建的Au納米種子的優(yōu)異親鋰性能消除鋰金屬的成核過(guò)電勢(shì),誘導(dǎo)鋰金屬早期沉積在核殼結(jié)構(gòu)內(nèi)部的空腔里進(jìn)行,而外部的碳?xì)觿t阻擋鋰金屬的質(zhì)量擠出和體積膨脹。TEM結(jié)果證實(shí)了膠囊內(nèi)部金屬鋰的存在。除了合金反應(yīng)型種子顆粒,親鋰性誘導(dǎo)效果可進(jìn)一步拓展到轉(zhuǎn)換反應(yīng)型的金屬氧化物播種體系中,即通過(guò)單寧酸部分刻蝕ZIF-67得到內(nèi)嵌Co-O團(tuán)簇種子的三維膠囊骨架,亦可獲得同樣的鋰金屬可控成核-生長(zhǎng)的調(diào)節(jié)效果,減緩了鋰金屬的枝晶蔓延。得益于c-Au@ZIF-8對(duì)鋰金屬的連續(xù)誘導(dǎo)成核和限域生長(zhǎng)作用,其Li/Li對(duì)稱電池能穩(wěn)定循環(huán)至少1200 小時(shí),電壓極化不超過(guò)22 mV。這種協(xié)同作用賦予其Li/Cu非對(duì)稱電池在3mAcm-2的大電流密度下,仍具有330圈以上的可逆循環(huán)性能和98%的高穩(wěn)定庫(kù)倫效率;即便是在10mAcm-2的超大電流密度條件下,依然能穩(wěn)定循環(huán)220圈。此外,c-Au@ZIF-8的優(yōu)異親鋰性顯著降低了鋰金屬負(fù)極的界面阻抗,并激活了負(fù)極界面?zhèn)髻|(zhì)動(dòng)力學(xué),從而極大提升了鋰金屬電池的循環(huán)穩(wěn)定性。此工作證明了異質(zhì)骨架中誘導(dǎo)成核和空間限域的結(jié)合對(duì)鋰金屬負(fù)極穩(wěn)定性提高的有效性,為鋰金屬負(fù)極無(wú)枝晶沉積模式的探索提供了新的思路。
 
  此外,該團(tuán)隊(duì)采用液相沉積自組裝法,在銅集流體表面原位構(gòu)筑具有立體親鋰位點(diǎn)開(kāi)式構(gòu)架的MOF膜(OA-MOF)作為鋰負(fù)極宿主材料,實(shí)現(xiàn)親鋰位體積的彈性膨脹和收縮,促進(jìn)對(duì)動(dòng)態(tài)化SEI層的加固效果,優(yōu)化鋰金屬沉積/剝離過(guò)程的動(dòng)力學(xué)。相關(guān)成果以“Dynamical SEI Reiforced by Open-Archiecture MOF Film with Stereoscopic Lithiophilic Sites for High-Performance Lithium-Metal Batteries”為題發(fā)表在期刊Adv. Funct. Mater.上。
 
  OA-MOF膜由銅基MOF(Cu2(BDC)2)超薄納米片堆積而成,其在銅箔集流體表面牢固生長(zhǎng),形成開(kāi)放的三維(3D)骨架。Cu2(BDC)2納米片的適當(dāng)厚度和垂直生長(zhǎng)有利于其上面豐富的羧基親鋰位點(diǎn)的自調(diào)節(jié)分布,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)鋰離子流的均化效果和鋰質(zhì)量傳輸?shù)撵`活控制,促進(jìn)鋰沉積形貌的致密化。開(kāi)式構(gòu)架中捕獲的二甲基甲酰胺(DMF)分子,可提供鋰離子更好的潤(rùn)濕和溶解效果,促進(jìn)其更容易接近Cu2(BDC)2表面。采用有限元分析模擬了MOF納米片修飾的Cu集流體上鋰均勻沉積的行為,解釋了開(kāi)骨架結(jié)構(gòu)對(duì)電極附近電流密度均勻化、鋰枝晶生長(zhǎng)抑制的積極作用。此外,OA-MOF膜還優(yōu)化了SEI層的納米結(jié)構(gòu)和組分,進(jìn)一步緩和了鋰金屬的形變和電解液的消耗。結(jié)合上述優(yōu)點(diǎn),鋰化的改性負(fù)極(OA-MOF/Cu@Li)具有較低的界面擴(kuò)散能壘,其鋰離子遷移數(shù)高達(dá)0.712,交換電流密度為3.08mAcm-2。改性的Li/Cu非對(duì)稱電池即使在15mAcm-2的高電流密度下,也表現(xiàn)出高庫(kù)侖效率(CE)和低電壓滯后。在電流密度為3mAcm-2、面容量為3mAhcm-2的條件下,改性的Li/Li對(duì)稱電池具有長(zhǎng)達(dá)250h的穩(wěn)定循環(huán)和小的極化過(guò)電勢(shì)(32 mV)。對(duì)應(yīng)的鋰硫電池在倍率高達(dá)5C時(shí),仍表現(xiàn)出接近600mAhg-1的容量。該進(jìn)展表明,開(kāi)式構(gòu)架的超薄MOF膜改性是一種調(diào)節(jié)SEI成分和立體化、限制鋰金屬負(fù)極枝晶生長(zhǎng)、增強(qiáng)轉(zhuǎn)換反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的有效策略。
 
  上述研究成果的第一作者分別為上海硅酸鹽所博士生黃民松、伍卿平,相關(guān)研究工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助和支持。
 
  相關(guān)鏈接:
 
  https://doi.org/10.1002/anie.202102552 
 
  https://doi.org/10.1002/adfm.202101034 
圖1. 連續(xù)誘導(dǎo)成核-限域生長(zhǎng)雙調(diào)控策略示意圖,含種子膠囊形貌圖及其作為鋰金屬宿主的成核過(guò)電勢(shì)對(duì)比
圖2. c-Au@ZIF-8的合成示意圖及其對(duì)鋰金屬沉積模式和織構(gòu)的調(diào)控
圖3. 基于c-Au@ZIF-8的對(duì)稱和非對(duì)稱電池性能及其界面動(dòng)力學(xué)分析
圖4. 原始Cu和OA-MOF/Cu電極上鋰沉積形貌和機(jī)理的對(duì)比示意圖
圖5. COMSOL模擬OA-MOF/Cu和原始Cu電極上不同時(shí)間段的鋰傳質(zhì)生長(zhǎng)
 
(責(zé)任編輯:子蕊)
免責(zé)聲明:本文僅代表作者個(gè)人觀點(diǎn),與中國(guó)電池聯(lián)盟無(wú)關(guān)。其原創(chuàng)性以及文中陳述文字和內(nèi)容未經(jīng)本網(wǎng)證實(shí),對(duì)本文以及其中全部或者部分內(nèi)容、文字的真實(shí)性、完整性、及時(shí)性本站不作任何保證或承諾,請(qǐng)讀者僅作參考,并請(qǐng)自行核實(shí)相關(guān)內(nèi)容。
凡本網(wǎng)注明 “來(lái)源:XXX(非中國(guó)電池聯(lián)盟)”的作品,均轉(zhuǎn)載自其它媒體,轉(zhuǎn)載目的在于傳遞更多信息,并不代表本網(wǎng)贊同其觀點(diǎn)和對(duì)其真實(shí)性負(fù)責(zé)。
如因作品內(nèi)容、版權(quán)和其它問(wèn)題需要同本網(wǎng)聯(lián)系的,請(qǐng)?jiān)谝恢軆?nèi)進(jìn)行,以便我們及時(shí)處理。
QQ:503204601
郵箱:cbcu@cbcu.com.cn
猜你喜歡
專題
相關(guān)新聞
本月熱點(diǎn)
歡迎投稿
聯(lián)系人:王女士
Email:cbcu#cbcu.com.cn
發(fā)送郵件時(shí)用@替換#
電話:010-53100736
在線投稿
企業(yè)微信號(hào)
微信公眾號(hào)