崔屹最新Science Advances：过锂化介孔AlF3框架构建用于高电流密度的金属锂电池负极

【引言】

锂金属电池由于其理论容量高、电势低，有望代替碳基负极成为未来锂电池发展的主流。然而，许多棘手的问题仍未解决，如脆弱的SEI膜、锂枝晶的生长等因素都威胁着锂金属电池的安全使用。

最近对锂金属负极的研究的研究主要集中于电解液的修饰，SEI膜和隔膜改进等方面。其中一些工作集中于用锂粉代替锂片，设计独特的集流体用于锂沉积等方面。虽然这些尝试有效地推动了金属锂负极工程技术的发展并解决了部分问题，但是大部分工作不能同时在循环中维持电极体积稳定并减缓枝晶的生长方面起作用。

【成果简介】

近日，来自斯坦福大学的崔屹教授团队（通讯作者）在著名Science子刊Science Advances上发表题为”Ultrahigh–current density anodes with interconnected Li metal reservoir through overlithiation of mesoporous AlF₃framework”的文章，第一作者为Hansen Wang (王瀚森)。该文章报道了一种用Al₄Li₉-LiF作为稳定主体框架，三维金属锂通过介孔AlF₃的简单一步过锂化过程嵌入该纳米复合物中(Li/Al₄Li₉-LiF,LAFN)，从而构建新型金属锂负极的方法。这种LAFN是一种在锂剥离/沉积过程中近乎零体积改变的理想主体框架。尽管框架占据了空间，但是LAFN复合物中的金属锂仍有1571mAh g^-1的高比容量以及1447mAh cm^-3的体积容量。同时，它促进了锂离子的扩散，改良了锂金属与电解液的界面，有效抑制锂枝晶的生长，由于这些优点，该金属锂电极能够在20mA cm^‑2高电流密度下循环至少100次，并且改善了全电池在高倍率下的工作性能、提高了库伦效率。

【图文导读】

图一：AlF₃粉末和LAFN的形态。

(a) AlF₃粉末介孔框架示意图；

(b) Al₄Li₉-LiF骨架示意图；

(c) LAFN示意图；

(d-f)AlF₃粉末分别在不同放大倍速下的SEM图（标尺分别为20μm、1μm和200nm）；

(g) 原始LAFN表面SEM图；

(h) 5mAh cm^—2电流密度下锂剥离后的LAFN表面的SEM图；

(i) 5mAh cm^—2电流密度下锂剥离后再沉积的LAFN表面的SEM图；

(j-l) 上图(g-i)中比例尺为200nm的放大SEM图。

图二：枝晶抑制、体积稳定的LAFN电极。

(a) 理想和非理想嵌锂过程示意图；

(b)/(c) 锂片/LAFN表面在1mA cm^-2电流密度下对称电池循环的SEM图；

(d)/(e) 锂片/LAFN表面在20mA cm^-2、1mAh cm^-2电流密度下对称电池循环的SEM图；

(f)原始LAFN电极、(g)37.5mAh cm^-2下锂剥离和(h)37.5mAh cm^-2下去锂后再嵌锂的SEM截面图。

图三：LAFN电极的电化学性质。

(a-b)LAFN电极和锂片电极的电化学阻抗谱；

(c) 锂剥离过程的电压变化图；

(d) 锂剥离至1V后样片的XRD图谱。

图四：LAFN对称电池的循环性能。

(a) 1mA cm^-2(b) 10mA cm^-2(c) 20 mA cm^-2电流密度下的对称电池循环性能对比图。

图五：LCO/AFN电池的电化学性能。

(a) LCO/LAFN和LCO/Li的倍率特性图；

(b)1C(c)2C(d)4C电流密度下LCO/LAFN和LCO/Li电池充放电性能对比图。

【小结】

通过介孔AlF₃框架的过锂化过程，合成了具有交联金属锂嵌入的LAFN介孔骨架用于金属锂电池负极。该设计不仅给金属锂提供稳定剥离和嵌入的主体框架，而且利用反应产生的绝缘LiF用于Al₄Li₉纳米粒子的电化学保护，也促进了Li⁺扩散从而增加了金属锂嵌入的均一性，因而LAFN抑制了锂枝晶的生长并且近乎零体积变化。与锂片对比，LAFN在对称电池充放电过程中展现了更稳定的充放电平台，在使用LCO/LTO作正极的全电池中有更高的高倍率工作性能和库伦效率。

【相关文献推荐】

（1）D. Lin et al., Layered reduced graphene oxide with nanoscale interlayer gaps as a stable host for lithium metal anodes. Nat. Nanotechnol. 11, 626-632 (2016).

（2）Y. Liu et al., Lithium-coated polymeric matrix as a minimum volume-change and dendrite-free lithium metal anode. Nat. Commun. 7, 10992 (2016).

文献链接:Ultrahigh–current density anodes with interconnected Li metal reservoir through overlithiation of mesoporous AlF₃framework(Science Advances: 10.1126/sciadv.1701301)

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