Sci.Adv.: 通过原子层沉积LiF作为锂金属阳极的稳定界面来拼接h-BN

【引言】

由于其独特的电学和光学特性，二维（2D）原子晶体h-BN已成为电子和光电子领域各种应用的有吸引力的材料。此外，它具有优异的化学惰性，使其对大多数化学品如氧和锂金属稳定。h-BN的完美单原子层具有很强的机械强度，预计面内杨氏模量接近1.0TPa。由于具有诸多优点，h-BN作为一种稳定的涂层显示了优异的特性，该涂层可防止高温下的金属氧化，并抑制电化学锂金属电镀过程中锂枝晶的形成。缺陷是二维（2D）材料的重要特征，对其化学和物理性质有很大的影响。 通过缺陷点（点缺陷，线缺陷等）增强的化学反应性，可以通过化学反应选择性地使2D材料功能化，从而调整其物理化学性质。

【成果简介】

近日，斯坦福大学崔屹教授（通讯作者）团队证明了LiF在化学气相沉积法制备的h-BN缺陷位置上的选择性原子层沉积。LiF主要沉积在h-BN的线和点缺陷上，从而形成将h-BN微晶保持在一起的接缝。化学和机械稳定的混合LiF/h-BN膜在铜箔上的初始电化学沉积和随后的循环过程中成功地抑制了锂枝晶的形成。在无添加剂的碳酸盐电解质中，受保护的锂电极表现出良好的循环行为，在相对高的库伦效率（> 95％）下具有超过300次循环。相关成果以题为“Stitching h-BN by atomic layer deposition of LiF as a stable interface for lithium metal anode”发表在Science Advances 上。本工作主要由斯坦福大学崔屹老师指导，由美国能源部Battery500和Bosch公司共同提供资金支持完成。第一作者为崔屹老师实验室博士后谢琎和廖磊。

【图文导读】

图1 SEM表征

（A）在h-BN上选择性ALD LiF沉积的示意图

（B）在连续的h-BN上进行50次循环的ALD LiF沉积的SEM表征

（C）在h-BN边缘上50次循环的ALD LiF沉积的SEM表征

图2 原子力显微镜和俄歇表征

（A）选择性ALD LiF沉积在h-BN/Si上的顶视图和侧视图

（B）在Si衬底上的单层h-BN的AFM表征

（C）Si衬底上的单层h-BN的高度分布

（D，E）在Si衬底上ALD LiF涂覆的单层h-BN的高度分布

（F）在Si衬底上的ALD LiF涂覆的单层h-BN的AFM表征

（G）使用俄歇能谱对h-BN/Si进行N，B和F的元素映射

（H）使用俄歇能谱对LiF/h-BN/Si进行N，B和F的元素映射

图3 TEM表征

（A）在悬浮的h-BN上的ALD LiF沉积的TEM表征

（B）高亮蓝色区域的衍射图案

（C）突出绿色和红色区域颗粒密度的比较

图4 电化学镀Li的SEM表征

在Cu（A-C），h-BN/Cu（D-F），LiF/Cu（G-I）和LiF/h-BN/Cu（J-L）上Li电镀的示意图和SEM表征

图5 循环性能

（A）库仑效率（CE）与循环次数图

（B）第二次循环中电压与容量的关系曲线

（C）第46次循环期间电压与容量的关系图

（D）第54次循环期间电压与容量的关系曲线

（E）第90次循环的电压与容量的关系曲线

图6 电化学镀Li横截面形貌的SEM表征

在EC/DEC电解质中用1M LiPF₆在LiF/h-BN/Cu（A）和原始Cu（B）基底上沉积5次之后的Li的横截面形貌的SEM表征

【小结】

该研究证明了在h-BN缺陷位置处LiF的选择性ALD具有增强的化学反应性。选择性沉积能够使用SEM，AFM和TEM可视化h-BN中缺陷的位置。LiF/h-BN复合膜具有优异的化学和力学性能，能够有效抑制锂枝晶的形成，提高长周期锂金属循环的库仑效率。

文献链接：Stitching h-BN by atomic layer deposition of LiF as a stable interface for lithium metal anode（Sci.Adv.,2017,DOI:10.1126/sciadv.aao3170）

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