福州大学王星辉教授、程树英教授、湖南大学鲁兵安教授AS论文：成核位点和SEI优化实现大电流和大容量下锂金属的稳定循环- 大数跨境

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福州大学王星辉教授、程树英教授、湖南大学鲁兵安教授AS论文：成核位点和SEI优化实现大电流和大容量下锂金属的稳定循环

科学材料站

2022-02-03

导读：该研究在碳布表面设计和制备了亲锂CoSe2纳米颗粒镶嵌的氮掺杂碳纳米片阵列（CoSe2-NC@CFC）。

文章信息

成核位点和SEI优化实现大电流和大容量下锂金属的稳定循环

第一作者：曹嘉祺，谢永辉，杨洋

通讯作者：王星辉*，程树英*，鲁兵安*

单位：福州大学，湖南大学

研究背景

电动汽车、移动和柔性电子产品的快速发展对锂离子电池的能量密度要求不断提高。当前，锂离子电池的能量密度受限于炭类负极的低理论比容量（372 mAh g^-1）。锂金属因其高理论比容量（3860 mAh g^-1）和最低电化学电位（-3.04 V vs 标准氢电极）而被广泛研究。

但锂金属的商业化进程受限于非均匀的锂金属沉积和不稳定的负极/电解液界面，导致锂金属基电池循环性能差、短路、起火甚至爆炸等问题。特别是在大电流和大容量的循环下，这一问题尤为突出。因此，开发一种能够在大电流和大容量下实现锂金属的均匀沉积和稳定循环具有重要意义。

文章简介

基于此，福州大学王星辉教授、程树英教授和湖南大学鲁兵安教授团队合作，硕士生曹嘉祺为第一作者，谢永辉和杨洋为共同第一作者，在国际知名期刊Advanced Science上发表题为“Achieving Uniform Li Plating/Stripping at Ultrahigh Currents and Capacities by Optimizing 3D Nucleation Sites and Li₂Se-Enriched SEI”的文章。

该研究在碳布表面设计和制备了亲锂CoSe₂纳米颗粒镶嵌的氮掺杂碳纳米片阵列（CoSe₂-NC@CFC）。作为柔性高容量锂金属负极，该电极具有引导锂金属均匀沉积、强化固体电解质界面膜、实现电流再分配的优点，最终在大电流和大容量下实现了锂金属的均匀沉积和稳定循环。该研究工作为高性能锂金属负极和高能量密度锂离子电池的设计提供了新思路。

Fig. 1 (a) Schematic diagram of preparation route for CoSe₂–NC@CFC. SEM images of (b–c) Co-ZIF@CFC and (d–e) CoSe₂–NC@CFC. Inset in (e) shows high-magnification SEM image of CoSe₂–NC@CFC. (f) TEM, (g) HRTEM, (h) SAED, (i) HAADF–STEM and (j) elemental mapping images of CoSe₂–NC nanoflake.

本文要点

要点一：CoSe₂-NC@CFC的结构和成分优势验证

a. 通过 DFT 计算验证，所构建的 CoSe₂ 纳米颗粒和氮掺杂碳纳米片阵列具有优异的亲锂性，能够降低锂金属成核过电势，提高碳基框架亲锂性。

b. 有限元分析证明CoSe₂-NC能够起到降低集流体有效电流密度，抑制锂枝晶生长的作用。

c. 实验证明，在初始 Li 成核过程中，CoSe₂纳米颗粒会与Li+反应并转化为Li₂Se/Co纳米颗粒。原位形成的 Li₂Se/Co 纳米粒子不仅可以作为均匀的 Li 成核位点而且Li₂Se 的存在提高了 SEI膜的质量，极大地保证电解液/负极的界面稳定性的同时引导锂金属均匀沉积。

Fig. 2 DFT calculations of Li atom with (a) o-CoSe₂ and (b) c-CoSe₂. (c) Comparison of Ead of one Li atom adsorbed on C, graphitic N, pyrrolic N, pyridinic N, oxidised N, o-CoSe₂, and c-CoSe₂. (d) Voltage profiles of CoSe₂–NC@CFC and CFC during initial Li deposition at 1 mA cm^-2. (e) FEA of current density distribution at nanoflakes/electrolyte interface and (f) its partially enlarged figure.

要点二：CoSe₂-NC@CFC具有优异的对称电池性能

获得的 Li/CoSe₂-NC@CFC 能够预储高达40 mAh cm^-2的锂，且体积变化很小。特别的，Li/CoSe₂-NC@CFC复合锂金属负极可以在超高电流和面积比容量（10 mA cm^-²/10 mAh cm^-2 和 5 mA cm^-2/20 mAh cm^-2）下稳定循环1600 小时，该性能优于已报道的锂金属负极。

Fig. 3 Electrochemical performance of symmetric cells. Galvanostatic cycling of bare Li, Li/CFC, and Li/CoSe₂–NC@CFC anodes at (a) 5 mA cm^-2/5 mAh cm^-2, (b) 10 mA cm^-2/5 mAh cm^-2, and (c) 10 mA cm^-2/10 mAh cm^-2. (d) Comparison of cycling lifespan of Li/CoSe2–NC@CFC anode with various reported LMAs in symmetric cells. Galvanostatic cycling of Li/CoSe₂–NC@CFC anodes at (e) 5 mA cm^-2/20 mAh cm^-2 and (f) 10 mA cm^-2/20 mAh cm^-2. (g) Rate performances of bare Li, Li/CFC, and Li/CoSe₂–NC@CFC anodes. Insets show detailed voltage profiles of Li stripping/plating process.

要点三：Li/CoSe₂-NC@CFC能够在全电池中稳定循环1000次

组装的Li/CoSe₂-NC@CFC//LiFePO₄ 全电池，能够在2C高倍率下循环1000次后，保持86.4%容量保持率。组装的简易软包电池在不同弯折和卷曲情况下均能工作，展现出较好的柔性。这表明Li/CoSe₂-NC@CFC复合锂金属负极在高能量密度和柔性储能电池领域具有极好的应用潜力。

Fig. 4 Electrochemical performances of full cells. (a) Long-term cycling performance of Li//LFP and Li/CoSe₂–NC@CFC//LFP cells at 2 C. (b) Rate performance and (c–g) voltage profiles of Li//LFP and Li/CoSe₂–NC@CFC//LFP cells cycled from 0.3 to 5 C. (h) Schematic illustration of Li/CoSe₂–NC@CFC//LFP pouch cell. (i–j) Illuminating test of Li/CoSe₂–NC@CFC//LFP flexible pouch cell under various folded states.

文章链接

“Achieving Uniform Li Plating/Stripping at Ultrahigh Currents and Capacities by Optimizing 3D Nucleation Sites and Li₂Se-Enriched SEI”

https://doi.org/10.1002/advs.202104689

通讯作者简介

王星辉教授

福州大学物理与信息工程学院教授，博导，先后入选福建省“闽江学者”、福建省杰出青年项目。研究工作集中在新型储能材料与器件，主要致力于微型和柔性储能器件，具体包括薄膜固态锂离子微电池、平面超级电容器、高能量密度锂硫电池、锌离子电池、机器学习在能源领域的应用等方面的研究。迄今为止，在国际知名新能源材料与器件领域期刊上发表SCI论文80余篇，引用4800余次， H因子41。担任Frontiers in Energy Research副主编，Journal of Physics: Materials客座编辑，Materials Research Letters青年编委。

程树英教授

福州大学物理与信息工程学院教授，博导，宝钢优秀教师奖获得者，福州大学教学名师，现任福州大学微电子学院院长。福建省光伏行业技术开发基地负责人，福建省博导团队负责人，中国微米纳米学会理事，中国仪器仪表学会微纳器件与系统技术学会常务理事，中国电子教育学会研究生教育分会理事，中国电子学会真空分会委员。主要从事光电薄膜材料与器件、薄膜太阳电池、光伏系统及应用等方面的研究，作为项目负责人完成3项国家基金和10多项省部级科研项目，以及多项校企合作项目。在Nature Communications、Nano Energy、Applied Energy、中国物理B、半导体学报等国内外刊物上发表学术论文200余篇，其中SCI或EI收录120余篇，论文曾获第九届福建省自然科学优秀学术论文二等奖；申请专利130余件，授权70余件。获省级教学成果特等奖和二等奖各1项。

鲁兵安教授

湖南大学物理与微电子科学学院教授，博导, 湖南省青年骨干教师，湖南省湖湘杰出英才，年度科技新锐人物获得者。获批国家自然科学基金优秀青年基金项目、湖南省杰青青年基金项目等。主要研究方向为新型储能材料与器件，以第一作者或通讯作者在Nature，Adv. Mater., Sci. Bull. 等发表包括“中国百篇最具影响国家学术论文”在内的学术论文130余篇，被引用12000余次， H指数61，Science China Technological Sciences等期刊编委。