刘天存副教授，王勇教授，JMCA观点：含锡和氮掺杂碳管修饰的双亲锂自支撑骨架用于无枝晶锂金属负极- 大数跨境

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刘天存副教授，王勇教授，JMCA观点：含锡和氮掺杂碳管修饰的双亲锂自支撑骨架用于无枝晶锂金属负极

科学材料站

2022-05-09

导读：该文章通过一步原位碳热还原法构建了一种功能性含锡和氮掺杂碳管修饰的双亲锂自支撑骨架

文章信息

含锡和氮掺杂碳管修饰的双亲锂自支撑骨架用于无枝晶锂金属负极

第一作者：葛嘉宵，洪杰

通讯作者：刘天存*，王勇*

单位：上海大学，浙江理工大学

研究背景

随着便携式电子设备和电动汽车的飞速发展，人们对储能装置提出了更高的需求。具有较高理论比容量（3860 mAh g^-1），最低电化学电位（相对于标准氢电极为-3.04 V）的锂金属电池（LMB）有望取代以石墨为负极的锂离子电池（LIB，理论容量为372 mAh g^-1 ），成为下一代储能设备。

然而，不可控的锂枝晶生长以及锂沉积/剥离过程中巨大的体积变化，严重阻碍了锂金属电池（LMB）的商业应用。本文通过一步原位碳热还原法构建了一种功能性含锡和氮掺杂碳管修饰的双亲锂自支撑骨架（DLCTs），用于调节锂的均匀成核，从而实现LMB中的无枝晶行为，对促进LMB的商业化应用具有重要意义。

文章简介

本文中，来自上海大学的王勇教授和浙江理工大学的刘天存副教授在国际知名期刊Journal of Materials Chemistry A上发表题为“Rational Design of a Self-Supporting Skeleton Decorated with Dual Lithiophilic Sn-Containing and N-Doped Carbon Tubes for Dendrite-Free Lithium Metal Anode”的观点文章。

该文章通过一步原位碳热还原法构建了一种功能性含锡和氮掺杂碳管修饰的双亲锂自支撑骨架（DLCTs）。产生的Sn金属扮演着双功能的角色，不仅作为催化剂促进氮掺杂碳管的生长，还作为亲锂的成核位点引导锂的均匀沉积。此外，大量的碳管能够容纳更多的锂沉积，起到了缓解巨大的体积膨胀的作用。因此，当DLCTs用在锂金属电池中时，在半电池，对称电池，LiFePO₄基全电池中均取得了优异的电化学性能。这项工作为构建自支撑亲锂集流体用于高能锂金属电池提供了一种可行方法。

本文要点

要点一：设计合成思路

图1. DLCTs和NF@Sn/C的制备示意图。在清洗和水热反应后，将获得的NF基前驱体置于管式炉中，并在高温下进行一步原位碳热反应

首先通过水热法合成了NF@SnO₂@GLC中间体，然后在乙腈作为碳源和氮源的条件下，通过加热方式，在管式炉中实现了化学气相沉积（CVD），从而构建了双亲锂含锡和氮掺杂碳管修饰的自支撑骨架（DLCTs）。在加热过程中，率先发生了碳热还原反应，即中间体中的SnO₂被乙腈还原，得到了Sn纳米粒子。在接下来的CVD过程中，低熔点的Sn纳米粒子作为催化剂，催生了大量的含Sn的N掺杂碳管。最后随着反应时间的延长，微米级长度的碳管将致密覆盖在NF表面。

要点二：锂沉积机理研究

图2. 锂在（a）NF 和（b）DLCTs上的沉积行为示意图

对于NF，由于Ni基底的憎锂性，初始的锂沉积是随意而不均匀的；随着锂沉积量的增加，锂粒子逐渐长大成为尖锐的锂枝晶，这将严重损害电池的电化学性能。相反，在DLCTs上可以实现平坦且均匀的锂沉积行为。由于Sn纳米粒子和含氮官能团赋予了碳管优异的亲锂性，在初始的锂成核过程中，锂首先沿着碳管沉积；随着沉积容量的不断增加，金属锂倾向生长于碳管之间丰富的孔隙，并逐渐充填这些空间；最终，DLCTs的粗糙表面被致密的锂层所覆盖。

要点三：全电池性能

图3. 由 LiFePO₄与 DLCTs@Li 或锂电极组成的全电池在（a）1 C，（b）5 C 和（c）不同的速率下的电化学循环性能图。（d）DLCTs@Li|LFP 和（f）Li|LFP 全电池在不同循环圈数的充放电曲线图。（e） DLCTs@Li|LFP 和（g）Li|LFP 电池在 1 C 下在不同循环阶段的放大的电压-比容量曲线

以LiFePO4（LFP）为正极组成的DLCTs@Li|LFP全电池在1 C和5 C下循环300圈后，分别能维持121.7和93.9 mAh g^-1的高可逆容量以及88.6 %和85.2 %的容量保持率（图4a-b）；此外，全电池还展现出优异的倍率性能，在1 C，2 C，3 C和5 C时的放电比容量分别为139.5、128.9、122.3和108.1 mAh g^-1（图4c）。优良的电化学性能可归因于无枝晶的电极表面，提高的电荷转移动力学以及降低的界面电阻。

文章链接

Rational Design of a Self-Supporting Skeleton Decorated with Dual Lithiophilic Sn-Containing and N-Doped Carbon Tubes for Dendrite-Free Lithium Metal Anode

Journal of Materials Chemistry A, 2022

DOI: 10.1039/D2TA00601D

通讯作者简介

刘天存副教授

工学博士，硕士生导师。2016年在上海大学硕博连读，曾获国家奖学金。2021年博士毕业后进入浙江理工大学工作。目前以第一作者或通讯作者的身份在Advanced Functional Materials, Energy Storage Materials，Nano-Micro Letters以及ACS Applied Energy Materials等期刊发表多篇SCI论文。

王勇教授

在天津大学获得工学学士学位和硕士学位，在新加坡国立大学获得博士学位，博士毕业后先后在在新加坡-麻省理工学院联盟、拉夫堡大学、悉尼科技大学等任职Research Fellow或Visiting Professor Fellow，现在上海大学环境与化学工程学院工作。目前主要从事能源电池和环境催化吸附材料方向的研究，担任8本学术刊物的编委，已发表160多篇SCI论文，他引超过1.3万次，连续多年入选高被引中国学者，曾获得上海市育才奖和参加获得上海市自然科学一等奖。