孙世刚院士/廖洪钢教授EES：锂原子通道实现无枝晶锂沉积
作为商用锂离子电池的替代品，以锂金属作为阳极的储能系统被认为是下一代高能量密度电池的有效解决方案。尽管锂金属电池(LMBs)有着广阔的前景，但由于锂枝晶生长带来的严重安全问题仍然阻碍了其实际应用。与电子转移相比，高活性锂在阳极侧的扩散速度较慢，主要是通过表面进行的。锂在电极/电解质界面的不均匀、不可控聚集会导致明显的枝晶生长并限制其进一步应用。锂在阳极表面的扩散速度远快于体扩散，调节锂在阳极表面的扩散被认为是诱导锂均匀沉积的主流方法，而锂在阳极体中的扩散通常被忽略
近日，厦门大学孙世刚院士、廖洪钢教授等人在Energy & Environmental Science上发表成果，Efficient Diffusion of Superdense Lithium via Atomic Channel for Dendrite-Free Lithium-Metal Batteries。在这里，与经典的表面修饰不同，作者提出了一种分子隧道策略，构建石墨体中的原子通道，使Li快速扩散。在这个工作中，通过在高温下用氨处理含石墨层碳纸(GC)的方法，作者构建了一个体扩散锂导体(BDLC)，BDLC具有丰富的原子通道，用于超密锂输运。通过预隧穿石墨层(层间距约为~ 7Å)，同时引入空隙和亲锂位点，建立了锂扩散的层间和层内通道。与传统的表面扩散/沉积机制不同，原子通道可以有效地缓解由不均匀表面沉积引起的枝晶问题，并实现了快速体扩散。DFT计算表明，由于BDLC的高亲和力和较低的迁移势垒，与表面扩散相比，通过原子通道的体扩散可能成为Li输运的一个新的主导路径，具有较高的扩散动力学。通过CI-NEB和从头算分子动力学(AIMD)模拟验证了超密Li在原子通道层间和层内的扩散行为。此外，用原位透射电镜观察了超致密Li在BDLC体中的高度可逆、无枝晶电镀/剥离过程。因此，Li@BDLC||Li@BDLC对称电池可以在27 mV的低过电势下工作2000小时以上。当与高于20 mg cm-2的高负载LiFePO4 (LFP)阴极配对时，面容量达到3.9 mA h cm-2(1.1倍的Li)，在370次循环中达到100%的容量保持(1.3倍的Li)。本文展示的体扩散策略将提供一个不同于传统表面扩散的新视角，扩展超致密Li扩散的知识，重新定义Li枝晶抑制研究。
图1. 石墨层与原子通道的对比
图2. Li通过BDLC原子通道扩散的DFT计算和AIMD模拟
图3. BDLC和GC的结构表征
图4. 镀锂/剥离过程的原位TEM表征
图5. BDLC和GC的电化学性能
图6. Li@BDLC||LFP和Li@GC||LFP放电后的HRTEM研究
文献信息
Efficient Diffusion of Superdense Lithium via Atomic Channel for Dendrite-Free Lithium-Metal Batteries. Energy Environ. Sci., 2021.
https://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2021/EE/D1EE02205A
原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/1aqJRgNJZ1rVyFEk1jkjyQ
