贺加瑞博士、陈远富教授，EnSM观点：亲锂的Fe3N@N-doped Graphene层构建无枝晶、高稳定的锂金属电池- 大数跨境

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贺加瑞博士、陈远富教授，EnSM观点：亲锂的Fe3N@N-doped Graphene层构建无枝晶、高稳定的锂金属电池

科学材料站

2021-12-18

导读：该论文报道了一种亲锂的Fe3N@N-doped Graphene功能层通过调控到达锂金属负极表面的锂离子流、促进离子迁移动力学以及和提供丰富锂沉积位点

文章信息

亲锂的Fe₃N@N-doped Graphene层构建无枝晶、高稳定的锂金属电池

第一作者：张小娟

通讯作者：贺加瑞*，陈远富*

单位：电子科技大学，西藏大学

研究背景

锂金属电池因其锂金属负极具有超高的理论比容量、超低还原电位和轻的密度等优点吸引了广大研究者的兴趣，被认为是具有重大潜力的下一代可循环电池。然而，在连续的循环过程中锂枝晶的生长和副反应的发生严重阻碍了锂金属电池的实际应用。功能化的隔膜提高隔膜的机械强度物理抵抗枝晶的压力和调控锂离子流均匀沉积的协同机制在高能量密度的锂金属电池的发展中起着关键的作用。

本文报道了一种亲锂的N掺杂石墨烯包裹的Fe₃N纳米颗粒（Fe₃N@NG）作为锂金属电池（LMBs）的多功能隔膜改性材料。得到核壳结构的Fe₃N@NG改性功能层隔膜，外壳的氮掺杂石墨烯作为骨架保证了结构的稳定性。

同时为离子的传递提供了通道，内核的氮化铁因其强的极性官能团为锂离子的均匀沉积提供了大量的活性位点，调控了锂离子流，减小了施加在负极的局部电流密度，生成了稳定固态电解质膜，从而抑制了锂枝晶的生长和缓解了副反应，提高了由Fe₃N@NG改性隔膜组装而成的锂金属电池的活性物质的利用率、比容量以及循环稳定性。本文为开发新型过渡金属氮化物基材料来调控锂离子流和抑制锂枝晶提供了参考。

文章简介

在这里，来自电子科技大学、西藏大学的陈远富教授课题组在国际储能知名期刊Energy Storage Materials上发表题为“Fe₃N@N-doped Graphene as a Lithiophilic Interlayer for Highly Stable Lithium Metal Batteries”的研究论文。

该论文报道了一种亲锂的Fe₃N@N-doped Graphene功能层通过调控到达锂金属负极表面的锂离子流、促进离子迁移动力学以及和提供丰富锂沉积位点，从而达到锂的无枝晶沉积/剥离，最终实现高稳循环的锂金属电池。

图1 Fe₃N@NG改性隔膜在锂金属电池中锂离子迁移和负极保护的协同机理图

本文要点

要点一：电荷吸附原理构建自组装的核壳结构

图2 (a) Fe₃N@NG的制备示意图。(b) Fe3N@NG的SEM图像。(c) Fe3N@NG 的TEM图像。(d) Fe3N@NG的HRTEM图像。(e) Fe3N@NG的STEM图像。(f-i) Fe3N@NG的元素映射图。(j) Fe3N@NG和Fe3N的XRD图。(k-m) Fe3N@NG的XPS元素分谱

要点二：良好的热稳定性和浸润性

图3 (a) 商用PP隔膜，(b) NG/PP，(c) Fe3N/PP以及(d) Fe3N@NG/PP改性隔膜在不同温度下的热稳定性测试。(e)商用PP隔膜，(f) NG/PP，(g) Fe3N/PP以及(h) Fe3N@NG/PP改性隔膜的电解液接触角测试

要点三：理论计算验证亲锂性

图4 Li原子与Fe3N结合的预测稳定构型 (a-b)。(a) Fe原子为沉积位点与Li原子作用的预测配置结构。(b) N原子为沉积位点与Li原子作用的预测配置结构。Li原子与Fe3N@NG结合的预测稳定构型 (c-f)。(c, d) Li原子置于Fe3N@NG的NG层的预测构型。（e, f）Li原子置Fe3N和NG层之间的预测稳定构型。(g) Li原子与Fe3N和Fe3N@NG之间吸附能量(ΔE, eV)的比较。

要点四：优异的电化学性能

图5商业PP隔膜和Fe3N@NG/PP改性隔膜对锂金属电池的电化学性能。(a) 用Fe3N@NG/PP改性隔膜和商业PP隔膜组装的Li//Cu电池在0.25 mA cm-2电流密度, 1 mAh cm-2循环容量下的库仑效率图。(b) 商业PP隔膜和(c) Fe3N@NG/PP改性隔膜组装的Li//Cu电池在不同循环下的充放电电压分布图。商业PP隔膜和Fe3N@NG/PP改性隔膜组装的Li//Li对称电池在(d) 2 mA cm-2和(e) 5 mA cm-2电流密度下，循环容量为1 mAh cm-2的长循环电压分布图。(f) 本工作的Li//Li对称电池的循环寿命与之前报道的文献之间的比较。(g) 锂片SEM图。(h) 商业PP隔膜组装电池和 (i) Fe3N@NG/PP改性隔膜组装电池在2 mA cm-2的电流密度，1 mAh cm-2的容量下循环100圈后锂负极的SEM图

图6用Li负极和LiFePO4 (LFP) 正极，以及商业PP隔膜和Fe3N@NG/PP改性隔膜组装的全电池。(a) 商业PP隔膜和(b) Fe3N@NG/PP改性隔膜组装的Li//LFP全电池在倍率为0.2C, 0.5C, 1C和2C (1C = 170 mA g-1)下第10个循环周期的充放电曲线。(c) 商业PP隔膜和Fe3N@NG/PP改性隔膜组装的Li//LFP全电池在倍率为0.2C, 0.5C, 1C和2C下第10个循环周期的比容量。(d) 商业PP隔膜和Fe3N@NG/PP改性隔膜组装的Li//LFP全电池在倍率为2C下的长循环稳定性和库仑效率。(e, f) 商业PP隔膜和(g, h) Fe3N@NG/PP改性隔膜组装全电池循环后锂负极的SEM

文章链接

Fe3N@N-doped Graphene as a Lithiophilic Interlayer for Highly Stable Lithium Metal Batteries

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2405829721005912

贺加瑞博士

2018年6月在陈远富教授指导下获电子科技大学博士学位，其博士学位论文荣获中国电子教育学会2018年优秀博士学位论文。贺博士随后到美国德州大学奥斯汀分校Arumugam Manthiram教授课题组从事储能材料及器件方向的博士后研究工作。贺博士以第一作者及通讯作者在Journal of the American Chemical Society、Energy Environment Science、Advanced Materials、Advanced Energy Materials、ACS Nano、ACS Energy Letter、Energy Storage Materials、Chemical Engineering Journal等学术刊物上发表近80篇SCI论文，被同行引用近6000次，H因子45。

陈远富教授

2001年6月在涂铭旌院士指导下获四川大学博士学位。2001年7月至2005年1月先后在中国科学院物理研究所、中国台湾清华大学从事博士后研究工作，2005年3月至2008年5月先后在德国莱比锡大学、莱布尼兹固态材料研究所从事高级访问研究工作。2008年5月作为海外引进教授加入电子科技大学电子薄膜与集成器件国家重点实验室、电子科学与工程学院。陈教授主要研究方向为新型二维半导体及器件（如石墨烯、MX2二维半导体及微/光电子器件、传感器等）、新型纳米催化及储能材料及器件（如光/电催化水分解及二氧化碳还原、锂离子电池、锂硫电池及全固态电池等）。2019年作为中组部/教育部第9批援藏学术带头人加入西藏大学理学院，倡导并筹建了西藏大学供氧研究院（任常务副院长兼首席专家），聚焦雪域高原科学吸氧、保障百姓健康美好生活，在制氧核心关键技术、高效智能供氧控制、供氧健康评估开展研究并推进产业应用。在Energy Environment Science、Advanced Materials、Advanced Energy Materials、ACS Nano、ACS Energy Letter、Energy Storage Materials、Applied Catalysis B等期刊发表近200篇SCI论文（其中6篇选过ESI热点论文、25篇入选过ESI高被引论文），被同行引用9000余次，H因子56。申请发明专利近30项（10余项已获授权），撰写出版了《石墨烯薄膜制备》（化学工业出版社）、《高原制供氧技术及应用》（科学出版社）专著及《The Application of Graphene in Biosensors》等专著章节。2010年荣获教育部新世纪优秀人才称号，2020年锂硫电池研究成果荣获四川省自然科学二等奖（排名第一）。

Email: yfchen@uestc.edu.cn

第一作者介绍

张小娟，电子科技大学电子科学与工程学院，电子薄膜与集成器件国家重点实验室2018级博士研究生，研究方向为新能源材料与器件，以第一作者在Energy Storage Materials、ACS Appl. Mater. Inter.、Chem. Eng. J.、J. Power Sources、J. Colloid Inter. Sci.、Nanoscale等期刊发表SCI论文10多篇，其中1篇入选ESI高被引论文。

Email: zhangxj93612@163.com