【引言】
日益嚴(yán)重的化石燃料短缺和環(huán)境污染引起了對(duì)可再生能源的需求，推動(dòng)了可再生能源技術(shù)的快速發(fā)展。在二次電池系統(tǒng)中，鋰金屬電池因很高的理論比容量（3860 mAh g-1）和較低的氧化還原電位（-3.04V）受到越來(lái)越多的關(guān)注。但是由于鋰金屬電池中鋰枝晶的生長(zhǎng)可能導(dǎo)致“死鋰”和電池短路，從而導(dǎo)致電池危險(xiǎn)性增加、容量減少。
【成果簡(jiǎn)介】
華中科技大學(xué)黃云輝教授等證明了具有適當(dāng)?shù)膬?nèi)外半徑比的空心碳納米纖維，可以使鋰離子選擇性沉積在內(nèi)表面?；谠撛恚髡咴O(shè)計(jì)了一種藕狀結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了具有高鋰載量的無(wú)枝晶鋰負(fù)極。蓮藕狀的碳納米纖維陽(yáng)極并包覆LiNafion作為人工SEI膜，實(shí)現(xiàn)了3600mAh的容量并提高了庫(kù)倫效率。作者認(rèn)為對(duì)鋰離子沉積與基體幾何關(guān)系的認(rèn)識(shí)將為鋰電池系統(tǒng)中混合鋰陽(yáng)極的合理設(shè)計(jì)提供新思路。該成果以“A Strategy of Selective and Dendrite-Free Lithium Deposition for Lithium Batteries”為題發(fā)表在Nano Energy上。
【圖文導(dǎo)讀】
圖1 鋰沉積的模擬結(jié)果
(A) 鋰離子在不同的內(nèi)外半徑空心碳納米纖維中沉積的模擬及實(shí)驗(yàn)結(jié)果鋰沉積的模擬結(jié)果
(B)(C)(D) 1mAh鋰沉積在8:10,5:10,1:10的半徑比下的掃描電鏡圖像
注：插入圖為在1mAh鋰沉積在碳納米纖維TEM圖像顯示
圖2 LCNF模擬圖和顯微圖像
(A),(B),(C),(D) SCNF,LCNF,Li-SCNF, Li-LCNF的示意圖
(E),(F),(G),(H) SCNF,LCNF,Li-SCNF, Li-LCNF的TEM圖像
(I),(J),(K),(L) SCNF,LCNF,Li-SCNF, Li-LCNF的SEM圖像
圖3 微觀形貌圖
(A),(B） LCNF@Nafion的SEM圖像和TEM圖像
(C1) LCNF@Nafion單纖維STEM圖片
(C2) 相應(yīng)的線性EDX元素分布
(D) LCNF@Nafion切片示意圖
(E) LCNF@Nafion切片圖像,插圖給出了不含Nafion的LCNF切片
(F1) LCNF@Nafion切片TEM圖像
(F2) 相應(yīng)的線性EDX元素分布
(G),(H) Li-LCNF@LNafion在電流密度為1mA cm-2，8mAh cm-2時(shí)循環(huán)30圈后的SEM,STEM圖像
(I1) 單纖維LCNF@LNafion的STEM圖像
(I2) 相應(yīng)的線性EDX元素分布
圖4 庫(kù)倫效率及比容量曲線
(A1),(A2) LCNF@LNafion在1mA cm-2時(shí)的庫(kù)倫效率，比容量曲線
(B1),(B2) LCNF@LNafion在2mA cm-2時(shí)的庫(kù)倫效率，比容量曲線
(C1),(C2) LCNF@LNafion在5mA cm-2時(shí)的庫(kù)倫效率，比容量曲線
(D1),(D2) LCNF@LNafion在8mA cm-2時(shí)的庫(kù)倫效率，比容量曲線
圖5 循環(huán)性能圖
(A) LCNF/LNafion（紅）和Li/Li（黑）電池以1 mA cm-2時(shí)的電流密度恒流循環(huán)
(B) LCNF/LNafion（紅）電極和SCNF（黑）電極在1 mA cm-2時(shí)的電流密度下的循環(huán)性能
(C) LiPO4/LI-LCNF@LNation電池的循環(huán)性能
【小結(jié)】
本文通過(guò)設(shè)計(jì)陽(yáng)極表面結(jié)構(gòu)控制Li枝晶生長(zhǎng)，研究結(jié)果表明具有適當(dāng)?shù)膬?nèi)外半徑比的空心碳納米纖維可以控制鋰枝晶。作者發(fā)現(xiàn)藕狀碳納米纖維基體使鋰優(yōu)先在內(nèi)層表面沉積，因此穩(wěn)定的碳?xì)涌梢宰钃蹁囍L(zhǎng)。此外，多通道結(jié)構(gòu)也賦予LCNF陽(yáng)極具有高承載鋰能力。由于Nafion SEI的存在，Li-LCNF陽(yáng)極實(shí)現(xiàn)了3600mAh的容量并提高了庫(kù)倫效率（達(dá)到99%以上）。同時(shí)，磷酸鐵鋰與Li-LCNF@LNafion組成的電池也表現(xiàn)了優(yōu)秀的電化學(xué)性能，作者認(rèn)為對(duì)鋰離子沉積與基體幾何關(guān)系的認(rèn)識(shí)將為鋰電池系統(tǒng)中混合鋰陽(yáng)極的合理設(shè)計(jì)提供新思路。
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