万立骏&郭玉国JACS：具有3D导电骨架的球形碳颗粒中的混合锂储层实现稳定的Li电镀/剥离电化学性能

【背景介绍】

便携式电子、电动汽车和电网的快速发展刺激了对高能可再充电电池的广泛研究。Li金属提供了3860mAhg^-1的高理论容量和非常低的还原电位，使得可再充电锂电池的能量密度高于基于插层阳极的商业锂离子电池，例如石墨。然而，在Li /电解质界面上的不均匀质量和电荷转移导致树枝状Li和“死”Li的形成以及不稳定的固体电解质相间，因此使用Li阳极仍然面临巨大的挑战。

【成果简介】

近日，来自中科院化学研究所万立骏院士和郭玉国研究员（共同通讯）等人发现上述问题可以通过调节界面质量/电荷转移来缓解。将混合Li储存在洋葱状石墨化球形C颗粒上并连接在三维导电骨架上，增强了C主体的表面电荷的负性，有助于均匀的Li电镀，同时还形成稳定的Li / C插层化合物以抵消循环过程中不可逆的Li损失。

【图文导读】

图1 碳改性Ni泡沫（CMN）的结构和形态表征结果

（a）CMN准备过程示意图

（b）CMN的低放大倍数SEM图像

（c）球形C的横截面SEM图像和（d）球形C的切片TEM图像

（e）CMN的横截面SEM图像

图2 在CMN上Li电镀/剥离的形态演化

（a）原始CMN和电镀后，（b）0.8mA h cm^-2，（c）2mA h cm^-2，（d）4mA h cm^-2的Li进入CMN中和剥离后（e） 1 mA h cm^-2，（f）2 mA h cm^-2，（g）3 mA h cm^-2，（h）4 mA h cm^-2的来自CMN的Li 的形态演化

锂电镀/剥离状态（a-h）以（i）在2mA cm^-2获得的Li | Li-CMN半电池的恒电流放电/充电电压分布进行标记

图3 CMN上镀镍工艺的示意图

由石墨片自组装的球形C颗粒具有丰富的纳米通道，其允许Li⁺穿透和高电子导电性以促进电子传输

图4 锂电极和CMN电极的电镀/剥离性能

（a）裸镍泡沫（BNF）和CMN上的Li电镀/剥离的电压曲线，电流密度为0.5mA cm^-2，Li镀层容量为2mAh cm^-2

（b）在两个电极上的电镀/剥离循环次数的电压滞后演变曲线

（c）电流密度为1mA cm^-2和Li镀膜容量为1mA h cm^-2的Li | Li-BNF和Li | Li-CMN对称电池中的Li电镀/剥离工艺的电压分布图

图5 Li-CMN | LiFePO₄全电池的电化学性能

（a）LiFePO₄阴极的横截面SEM图像

（b-e）在0.2C下Li-CMN | LiFePO₄全电池的电化学性能，包括具有阴极/阳极容量比（b）1:1和（c）1：1.05的全电池的电压分布，（d）具有不同阴极/阳极容量比的全电池在0.2C下的循环性能，（e ）在1C下阴极/阳极容量比为1：1.05的全电池的长期循环性能

图6 CMN改进电镀/剥离性能的解释

包括（a）平面石墨片上，（b）弯曲石墨片和（c）Li-插入的弯曲石墨片上的电子/电荷分布和Li沉积

（d）存储在Li/C化合物中的Li充当备用来源以抵消在循环期间的不可逆的Li损失

【总结】

本文率先通过Li /电解质界面实现质量/电荷转移的调节，以稳定金属Li的阳极电化学性质。Li-CMN阳极显示出95％的高Li利用率和稳定的电镀/剥离能力，如果与LiFePO₄阴极耦合，则可以得到寿命长的可充电Li金属电池。本文的工作将为高能锂金属电池的研究提供新的视野，并为实际的可充电金属电池的发展做出了贡献。

文献链接：Stable Li Plating/Stripping Electrochemistry Realized by a Hybrid Li Reservoir in Spherical Carbon Granules with 3D Conducting Skeletons（J. Am. Chem. Soc.，2017，DOI: 10.1021/jacs.7b01763）

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