胡良兵Adv. Mater.：超細(xì)納米銀顆粒有助于金屬鋰的沉積形成穩(wěn)定的鋰金屬負(fù)極

　　【引言】

　　金屬鋰電池具有高理論能量密度，并且制作成本低，被視為下一代能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)。由于金屬鋰具有極高的比容量和較低的電化學(xué)勢(shì)，這正滿足了用作電池負(fù)極需要的高能量密度特性。但是，鋰金屬負(fù)極的實(shí)際應(yīng)用仍存在問(wèn)題，如：沉積過(guò)程中鋰枝晶的形成、鋰金屬界面的不穩(wěn)定性等，這些現(xiàn)象會(huì)降低材料的循環(huán)壽命和電化學(xué)性能，阻礙鋰金屬負(fù)極的應(yīng)用與推廣。數(shù)十年的研究表明，通過(guò)改性電解質(zhì)和添加劑，構(gòu)建鋰金屬的三維主體結(jié)構(gòu)可以改變負(fù)極的沉積效果和界面穩(wěn)定性。非均質(zhì)種子鋰成核開(kāi)辟了一種引導(dǎo)鋰沉積在三維主體結(jié)構(gòu)上的新方法。實(shí)驗(yàn)表明，錨定在碳納米纖維上的銀納米顆粒能夠成功引導(dǎo)金屬鋰的沉積，并形成無(wú)枝晶的鋰金屬負(fù)極。

　　【成果簡(jiǎn)介】

　　美國(guó)馬里蘭大學(xué)帕克分校的胡良兵副教授在Adv. Mater.期刊上發(fā)表的‘Ultrafine Silver Nanoparticles for Seeded Lithium Deposition toward Stable Lithium Metal Anode’一文，報(bào)道了一種改善鋰金屬電池性能及應(yīng)用的新方法，即：利用快速焦耳加熱法合成的超細(xì)納米銀顆粒能夠引導(dǎo)鋰均勻沉積在基體材料上，從而解決鋰金屬用作負(fù)極時(shí)存在的問(wèn)題。所得到的Li負(fù)極表現(xiàn)出低電壓超電勢(shì)和卓越的循環(huán)穩(wěn)定性，而沒(méi)有短路問(wèn)題。新型快速焦耳加熱方法也有望為先進(jìn)儲(chǔ)能材料的納米制造創(chuàng)造更多的可能性。

　　【圖文導(dǎo)讀】

　　圖1 通過(guò)焦耳加熱法將AgNPs合成到CNFs上及相應(yīng)的電鏡圖

　　(a) 焦耳加熱法將銀納米顆粒長(zhǎng)到CNFs上;插圖為靜電紡絲法制備的CNFs形貌。

　　(b) 焦耳加熱過(guò)程中溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律;插圖為CNFs在1400-1700 K溫度時(shí)的發(fā)光照片。

　　(c) 焦耳加熱0.5 s時(shí)，AgNPs分散在CNFs上的掃描電鏡圖。

　　(d) CNFs上單個(gè)銀顆粒的高倍透射電鏡圖。

　　圖2 不同焦耳加熱時(shí)間下復(fù)合物的形貌圖及相關(guān)影響因素曲線圖

　　(a-d) 焦耳加熱0.05 s, 0.1 s, 0.5 s, 4 s時(shí)，CNFs上AgNPs的掃描電鏡圖。

　　(e) AgNPs大小與熱處理時(shí)間的曲線圖。

　　(f) 相同條件的鋰沉積在不同基底材料上的電壓分布情況圖。

　　圖3 鋰的成核與生長(zhǎng)過(guò)程及相應(yīng)的電鏡圖片

　　(a) AgNPs引導(dǎo)鋰在CNFs上的成核和生長(zhǎng)過(guò)程。

　　(b-e) AgNP/CNFs掃描電鏡圖：沒(méi)有鋰沉積、鋰初始成核、1 mA h cm−2的鋰沉積、電鍍剝離循環(huán)后。

　　(f-i) 控制樣品的掃描電鏡圖：純CNFs、鋰沉積在CNFs上、傳統(tǒng)加熱法合成Ag-CNFs、鋰沉積在Ag-CNFs上。

　　圖4 負(fù)極鋰循環(huán)性能測(cè)試圖

　　(a-b) 不同條件下負(fù)極鋰的循環(huán)性能圖：純CNFs、焦耳加熱0.1 s的AgNP/CNFs、

　　(c) 在純CNFs和0.5 mA cm−2的AgNP/CNFs上，金屬鋰負(fù)極的前三次充放電電壓范圍對(duì)比圖。

　　(d) AgNP/CNFs上的金屬鋰負(fù)極循環(huán)前后的奈奎斯特圖。

　　【小結(jié)】

　　本文研究了將超細(xì)AgNPs錨定在CNFs上用于金屬鋰的成核與生長(zhǎng)過(guò)程。利用焦耳加熱法可以獲得生長(zhǎng)在三維主體材料上的AgNPs，可以引導(dǎo)金屬鋰形成負(fù)極鋰而不存在枝晶問(wèn)題。這種新型的焦耳加熱法能夠廣泛應(yīng)用于先進(jìn)能量?jī)?chǔ)存材料的制備過(guò)程。