胡良兵Adv. Mater.：超細納米銀顆粒有助于金屬鋰的沉積形成穩定的鋰金屬負極

　　【引言】

　　金屬鋰電池具有高理論能量密度，并且制作成本低，被視為下一代能量儲存系統。由于金屬鋰具有極高的比容量和較低的電化學勢，這正滿足了用作電池負極需要的高能量密度特性。但是，鋰金屬負極的實際應用仍存在問題，如：沉積過程中鋰枝晶的形成、鋰金屬界面的不穩定性等，這些現象會降低材料的循環壽命和電化學性能，阻礙鋰金屬負極的應用與推廣。數十年的研究表明，通過改性電解質和添加劑，構建鋰金屬的三維主體結構可以改變負極的沉積效果和界面穩定性。非均質種子鋰成核開辟了一種引導鋰沉積在三維主體結構上的新方法。實驗表明，錨定在碳納米纖維上的銀納米顆粒能夠成功引導金屬鋰的沉積，并形成無枝晶的鋰金屬負極。

　　【成果簡介】

　　美國馬里蘭大學帕克分校的胡良兵副教授在Adv. Mater.期刊上發表的‘Ultrafine Silver Nanoparticles for Seeded Lithium Deposition toward Stable Lithium Metal Anode’一文，報道了一種改善鋰金屬電池性能及應用的新方法，即：利用快速焦耳加熱法合成的超細納米銀顆粒能夠引導鋰均勻沉積在基體材料上，從而解決鋰金屬用作負極時存在的問題。所得到的Li負極表現出低電壓超電勢和卓越的循環穩定性，而沒有短路問題。新型快速焦耳加熱方法也有望為先進儲能材料的納米制造創造更多的可能性。

　　【圖文導讀】

　　圖1 通過焦耳加熱法將AgNPs合成到CNFs上及相應的電鏡圖

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

　　(b) 焦耳加熱過程中溫度隨時間的變化規律;插圖為CNFs在1400-1700 K溫度時的發光照片。

　　(c) 焦耳加熱0.5 s時，AgNPs分散在CNFs上的掃描電鏡圖。

　　(d) CNFs上單個銀顆粒的高倍透射電鏡圖。

　　圖2 不同焦耳加熱時間下復合物的形貌圖及相關影響因素曲線圖

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

　　(e) AgNPs大小與熱處理時間的曲線圖。

　　(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 鋰的成核與生長過程及相應的電鏡圖片

　　(a) AgNPs引導鋰在CNFs上的成核和生長過程。

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

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

　　圖4 負極鋰循環性能測試圖

　　(a-b) 不同條件下負極鋰的循環性能圖：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，金屬鋰負極的前三次充放電電壓范圍對比圖。

　　(d) AgNP/CNFs上的金屬鋰負極循環前后的奈奎斯特圖。

　　【小結】

　　本文研究了將超細AgNPs錨定在CNFs上用于金屬鋰的成核與生長過程。利用焦耳加熱法可以獲得生長在三維主體材料上的AgNPs，可以引導金屬鋰形成負極鋰而不存在枝晶問題。這種新型的焦耳加熱法能夠廣泛應用于先進能量儲存材料的制備過程。