楼雄文教授Angew：用于稳定锂金属负极的氮掺杂非晶锌碳多通道碳纤维

【引言】

金属锂由于其极高的比容量和超低的电化学电势被认为是高能量密度电池最理想的负极材料。然而，由于Li和有机电解液之间的高化学反应性，在电解液/ Li界面形成不稳定的固体电解质中间相(SEI)，锂金属电池的实际应用仍面临着严峻的挑战。在过去的几十年中，已经开发许多策略力于稳定锂金属负极。其中包括构建功能性的锂宿主，例如通过在3D集流体骨架中引入亲锂相，能有效地调控锂沉积的形核方式，从而实现锂的均匀沉积。另外一种办法是通过SEI调节修饰锂负极界面，从而改善锂的沉积行为。在这些方法中，用于LMA的三维主体纳米结构表现出优异的电化学性能，这是因为在Li沉积/剥离过程中局部电流密度大大降低且可以缓解锂的体积膨胀。但是，由于对Li⁺离子的吸收能力差，常见的3D基底几乎无法调节接近电极/电解质界面的Li⁺离子浓度，从而导致有限的循环寿命和倍率性能。

【成果简介】

近日，南洋理工大学楼雄文教授团队设计了一种由碳笼(CC)装饰的氮掺杂非晶锌碳多通道纤维(CC-Zn-CMFs)，用于稳定LMA。该结构和组成设计具有多重优点：（1）具有大表面积的3D电子分层导电碳纤维可以有效地促进电子的传输并降低局部电流密度；（2）在多通道碳纤维上具有纳米笼的大孔结构可以适应长期电化学循环中的巨大体积变化；（3）亲锂的氮掺杂碳和功能性Zn纳米粒子对锂离子具有较强的锚定作用，使目标Li沉积在分层多孔碳上；（4）可伸缩且稳定的支架可以在反复的沉积/剥离过程中适应应力。受益于这些综合优势，基于CC-Zn-CMFs的锂金属负极在半电池和全电池中均表现出优异的电化学性能。相关研究研究成果以“Nitrogen-Doped Amorphous Zn-Carbon Multichannel Fibers for Stable Lithium Metal Anodes”为题发表在Angewandte Chemie-International Edition上。

【图文导读】

图一CC-Zn-CMFs的合成示意图及前驱体形貌表征

（a）CC-Zn-CMFs的制备流程示意图。

（b-g）PAN/PS-Zn(Ac)₂纤维和ZIF-8 @ PAN/PS-Zn(Ac)₂的FESEM图像和TEM图像。

图二CC-Zn-CMFs的形貌和结构表征

（a-h）CC-Zn-CMFs的FESEM和TEM图像及相应元素映射。

（i-l）Zn-CMFs的FESEM和TEM图像。

（m-o）CC-Zn-CMFs和Zn-CMFs拉曼光学，TGA曲线和N₂吸脱附曲线。

图三CC-Zn-CMFs在锂沉积/剥离期间的形貌演变

（a）在容量为10 mAh cm^-2的情况下，CC-Zn-CMFs电极在1 mA cm²下的电化学Li沉积/剥离曲线。

（b-e）CC-Zn-CMFs电极在锂沉积过程中相应的FESEM图像。

（f-i）CC-Zn-CMFs电极在锂剥离过程中相应的FESEM图像。

图四CC-Zn-CMFs负极的电化学性能表征

（a）在1 mAh cm^-2的相同容量下，以不同的电流密度在b-Cu，Zn-CMF和CC-Zn-CMF上沉积Li的CE。

（b）在1 mA cm^-2下，容量为1 mAh cm_-2的CC-Zn-CMFs电极的电化学Li沉积/剥离曲线。

（c）在固定容量为2 mAh cm^-2的各种电流密度下，对称电池中CCZn-CMFs-Li阳极的倍率性能。

（d）在1 mA cm^-2的对称电池中，容量为1 mAh cm^-2的b-Cu-Li，Zn-CMFs-Li和CC-Zn-CMFs-Li阳极的电压-时间曲线。

图五基于CC-Zn-CMFs的全电池电化学性能

（a）CC-Zn-CMFs-Li // LFP全电池的倍率性能。

（b）不同电流速率下CC-Zn-CMFs-Li // LFP全电池的相应恒电流充/放电电压曲线。

（c）b-Cu-Li // LFP，Zn-CMFs-Li // LFP，CC-Zn-CMFs-Li // LFP全电池在1 C电流下的循环稳定性。

【小结】

总之，本文设计了一种由碳笼(CC)装饰的氮掺杂非晶锌碳多通道纤维(CC-Zn-CMFs)，作为锂金属负极的锂宿主。3D大孔纤维结构可以在长期的Li沉积/剥离过程中缓冲巨大的体积变化，并且由于超低的超电势，亲锂的氮掺杂碳和功能性Zn纳米颗粒可以有效地调节Li的形核和生长。结果，基于CC-Zn-CMFs的锂金属负极在1到5 mA cm^-2的电流密度下显示了超过500个循环的高库仑效率。基于CC-Zn-CMFs-Li的对称电池还显示出出色的倍率性能和高达2000 h的循环寿命。此外，CC-Zn-CMFs-Li // LFP全电池显示出优异的倍率能力和稳定的循环寿命。

文献链接：“Nitrogen-Doped Amorphous Zn-Carbon Multichannel Fibers for Stable Lithium Metal Anodes”(DOI:10.1002/anie.202100471)

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