Nano Energy：一种普遍、有效的方法打造高稳定锂金属阳极

【引言】

在过去几十年里，锂金属电池在便携式电子器件、电动汽车和大型能源储存站有许多应用。下一代Li基电池，如Li-S、Li-空气和固态锂电池受到了许多关注。在所有的阳极候选者中，由于锂金属阳极独特的高比容量、低电位和轻质量，被认为是下一代锂金属电池最有前景的候选者之一。然而，由于安全问题，Li金属阳极没有进一步被应用在商业电池中。Li金属阳极的安全问题是由于在电化学镀层/剥离过程中，Li枝晶生长引起的。Li金属阳极的主要挑战有下面三点：（1）在电化学镀层/剥离过程中，Li枝晶生长；（2）Li金属和有机电解液之间形成不稳定的固态电解液界面层；（3）Li金属电极的无限体积变化。2012年，Manthiram组发明作为Li-S电池阴极和隔膜之间的夹层多孔炭纸，提高了活性材料利用率和容量保持率。随后，证明了各种碳纤维基夹层在Li-S电池中可以保护Li金属阳极。然而，Li镀层/剥离的详细电化学性能没有被研究，尤其在锂金属阳极上使用炭夹层。因此，研究人员通过引入炭纸作为夹层，实现长寿命和无枝晶Li金属阳极。

【成果简介】

近日，加拿大西安大略大学（又名韦仕敦大学）机械与材料工程系孙学良教授（通讯作者）研究小组通过引入夹层炭纸（CP）方法实现长寿命、无枝晶锂金属阳极。所设计的电极可以传递高达3 mAh cm^-2~5 mAh cm^-2的容量、优越的稳定性能（620 h/265）以及高的运行电流密度（3 mAcm^-2 和5 mA cm^-2）。与此同时，也证明在碳覆盖LiFePO₄作为阴极的全电池中具有高容量和长寿命。该研究成果以“Carbon Paper Interlayers: A Universal and Effective Approach for Highly Stable Li Metal Anodes”为题发表在Nano Energy上。

【图文导读】

图1.用复写纸作为夹层的锂箔，在不同电流密度下，展现的电化学镀层/剥离性能

（a）在3 mA cm^-2电流密度下，Li-CP-1L和纯Li箔的稳定性、电压比较；

（b）在5 mA cm^-2电流密度下，Li-CP-1L和纯Li箔的稳定性、电压比较；

（c）在1 mAh cm^-2容量极限下的倍率性能。

图2. 在不同情况下，Li-CP-5L和纯Li铝箔的性能比较

（a）在有3 mAh cm^-2 容量极限的3 mA cm^-2电流密度下，Li-CP-5L和纯Li箔的循环稳定性和电压；

 （b）在有5mAh cm^-2 容量极限的3 mA cm^-2电流密度下，Li-CP-5L和纯Li箔的循环稳定性和电压。

图3. Li-CP-1/5L和纯Li箔的表面形貌表征

（a）  在1 mAh cm^-2容量极限下，10个周期后，纯Li箔的SEM图（俯视图）；

（b）  在1 mAh cm^-2容量极限下，10个周期后，Li-CP-1L的SEM图（俯视图）；

（c）  在1 mAh cm^-2容量极限下，10个周期后，纯Li箔的SEM图（截面图）；

（d）  在1 mAh cm^-2容量极限下，10个周期后，Li-CP-1L的SEM图（截面图）；

（e）  在3mAh cm^-2容量极限下，10个周期后，纯Li箔的SEM图（俯视图）；

（f） 在3mAh cm^-2容量极限下，10个周期后，Li-CP-5L的SEM图（俯视图）；

（g） 在3 mAh cm^-2容量极限下，10个周期后，纯Li箔的SEM图（截面图）；

（h）在3mAh cm^-2容量极限下，10个周期后，Li-CP-5L的SEM图（截面图）。

图4.在1 C倍率下，Li-CP-2L和纯Li箔作为阳极，全电池的循环性能

（a）  纯Li箔和Li-CP-2L在1C下，全电池（C/LiFePO4作阴极）的循环性能；

（b）  纯Li箔和Li-CP-2L在第2周期的充放电电压滞环曲线；

（c）  纯Li箔和Li-CP-2L在150周期后的充放电电压滞环曲线；

（d）  使用纯Li箔和Li-CP-2L，全电池的循环性能；

在变化周期下纯Li箔（e）和Li-CP-2L（f）的滞环曲线。

图5. Li剥离/电镀行为的示意图

（a）发生在纯Li箔表面，Li剥离/电镀行为的示意图；

（b）发生在有CP夹层Li箔表面，Li剥离/电镀行为的示意图；

（c）Li沉积在CP上的详细机理。

【小结】

研究人员证实使用炭纸作为夹层，可以实现高稳定的Li金属阳极。同时具有一下优点：Li-CP复合电极更容易制备，可以应用在大型电子器件设备；（2）所制备的Li-CP-5L有稳定的镀层/剥离性能，达620 h，超过纯Li箔的10倍；（3）超长的循环稳定性和高容量保持率；（4）在Li沉积过程，没有观察到枝晶形成。炭纸夹层的设计为未来高能量密度Li金属电池展现了新的道路。

文献链接：Carbon Paper Interlayers: A Universal and Effective Approach for Highly Stable Li Metal Anodes （Nano Energy，2017，DOI: 10.1016/j.nanoen.2017.11.032）

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