胡良兵Adv. Mater.：超细纳米银颗粒有助于金属锂的沉积形成稳定的锂金属负极

【引言】

金属锂电池具有高理论能量密度，并且制作成本低，被视为下一代能量储存系统。由于金属锂具有极高的比容量和较低的电化学势，这正满足了用作电池负极需要的高能量密度特性。但是，锂金属负极的实际应用仍存在问题，如：沉积过程中锂枝晶的形成、锂金属界面的不稳定性等，这些现象会降低材料的循环寿命和电化学性能，阻碍锂金属负极的应用与推广。数十年的研究表明，通过改性电解质和添加剂，构建锂金属的三维主体结构可以改变负极的沉积效果和界面稳定性。非均质种子锂成核开辟了一种引导锂沉积在三维主体结构上的新方法。实验表明，锚定在碳纳米纤维上的银纳米颗粒能够成功引导金属锂的沉积，并形成无枝晶的锂金属负极。

【成果简介】

美国马里兰大学帕克分校的胡良兵副教授在Adv. Mater.期刊上发表的‘Ultrafine Silver Nanoparticles for Seeded Lithium Deposition toward Stable Lithium Metal Anode’一文，报道了一种改善锂金属电池性能及应用的新方法，即：利用快速焦耳加热法合成的超细纳米银颗粒能够引导锂均匀沉积在基体材料上，从而解决锂金属用作负极时存在的问题。所得到的Li负极表现出低电压超电势和卓越的循环稳定性，而没有短路问题。新型快速焦耳加热方法也有望为先进储能材料的纳米制造创造更多的可能性。

【图文导读】

图1 通过焦耳加热法将AgNPs合成到CNFs上及相应的电镜图

(a) 焦耳加热法将银纳米颗粒长到CNFs上；插图为静电纺丝法制备的CNFs形貌。

(b) 焦耳加热过程中温度随时间的变化规律；插图为CNFs在1400-1700 K温度时的发光照片。

(c) 焦耳加热0.5 s时，AgNPs分散在CNFs上的扫描电镜图。

(d) CNFs上单个银颗粒的高倍透射电镜图。

图2 不同焦耳加热时间下复合物的形貌图及相关影响因素曲线图

(a-d) 焦耳加热0.05 s, 0.1 s, 0.5 s, 4 s时，CNFs上AgNPs的扫描电镜图。

(e) AgNPs大小与热处理时间的曲线图。

(f) 相同条件的锂沉积在不同基底材料上的电压分布情况图。

图3 锂的成核与生长过程及相应的电镜图片

(a) AgNPs引导锂在CNFs上的成核和生长过程。

(b-e) AgNP/CNFs扫描电镜图：没有锂沉积、锂初始成核、1 mA h cm⁻²的锂沉积、电镀剥离循环后。

(f-i) 控制样品的扫描电镜图：纯CNFs、锂沉积在CNFs上、传统加热法合成Ag-CNFs、锂沉积在Ag-CNFs上。

图4 负极锂循环性能测试图

(a-b) 不同条件下负极锂的循环性能图：纯CNFs、焦耳加热0.1 s的AgNP/CNFs、

(c) 在纯CNFs和0.5 mA cm⁻²的AgNP/CNFs上，金属锂负极的前三次充放电电压范围对比图。

(d) AgNP/CNFs上的金属锂负极循环前后的奈奎斯特图。

【小结】

本文研究了将超细AgNPs锚定在CNFs上用于金属锂的成核与生长过程。利用焦耳加热法可以获得生长在三维主体材料上的AgNPs，可以引导金属锂形成负极锂而不存在枝晶问题。这种新型的焦耳加热法能够广泛应用于先进能量储存材料的制备过程。

文献链接：Ultrafine Silver Nanoparticles for Seeded Lithium Deposition toward Stable Lithium Metal Anode(Adv. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adma.201702714)

本文由材料人编辑部孙雪飞编译，黄超审核，点我加入材料人编辑部。

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