大数跨境
首页
>
丁彬研究员/闫建华研究员ACS Nano：柔性BaTiO3陶瓷纳米纤维膜机电耦合效应对锂枝晶生长的动态调控
>

丁彬研究员/闫建华研究员ACS Nano：柔性BaTiO3陶瓷纳米纤维膜机电耦合效应对锂枝晶生长的动态调控

丁彬研究员/闫建华研究员ACS Nano：柔性BaTiO3陶瓷纳米纤维膜机电耦合效应对锂枝晶生长的动态调控 科学材料站
2021-02-03
1
导读：该文章提出了一种机电耦合策略，通过将具有高压电性和铁电性的柔性BaTiO3陶瓷纳米纤维与铜集流体复合，实现了锂枝晶沉积方向的动态调控。


文章信息

柔性BaTiO3陶瓷纳米纤维膜机电耦合效应对锂枝晶生长的动态调控
第一作者：夏书会
通讯作者：丁彬*，闫建华*
单位：东华大学

研究背景

金属锂具有比容量高、还原电位低的特点，已成为下一代有吸引力的锂电池负极材料。但是，不均匀的金属锂沉积会引起局部体积膨胀，破坏原有的SEI薄膜，并促进锂枝晶在垂直方向的生长。
在锂剥离过程中，枝晶的快速溶解会使其与基体分离，成为失去电化学活性的“死锂”，降低了电池的库仑效率和安全性。为了控制金属锂沉积过程，研究人员提出了许多解决方案，包括新型电解质的设计、复合界面的控制策略、复合锂负极结构的设计。

文章简介

近日，东华大学丁彬研究员和闫建华研究员在国际知名期刊ACS Nano上发表以题为“Dynamic Regulation of Lithium Dendrite Growth with Electromechanical Coupling Effect of Soft BaTiO3 Ceramic Nanofiber Films”的研究文章。
该文章提出了一种机电耦合策略，通过将具有高压电性和铁电性的柔性BaTiO3陶瓷纳米纤维与铜集流体复合，实现了锂枝晶沉积方向的动态调控。
作者指出，锂沉积过程中局部的体积膨胀造成应力积累，使得BaTiO3纳米纤维因发生形变而在其上下两侧分别产生瞬时正负电荷。由上侧正电荷形成的电场排斥锂离子在该应力集中位置的继续沉积，而由下侧负电荷形成的电场则吸引锂离子使其沉积在下侧，从而改变枝晶生长方向。
此外，BaTiO3纳米纤维结构还可以有效降低电流密度，在高电流密度下的锂金属电池的应用中仍可调控枝晶生长。通过对这种机电耦合机制进行详细研究，作者发现即使在具有挑战性的实验条件下（大倍率、高电极负载量、贫电解液量等），提出的策略也有望制备出更高效、更耐用的锂电极。
除了电池性能的进步，作者开发了一种简单的热压方法，可以很容易地将柔性陶瓷纳米纤维膜与金属锂电池进行复合，并且这项技术的成本极具竞争力。
图1. 柔性BaTiO3纳米纤维膜制备流程和动态调控锂枝晶生长的机理演示

本文要点

要点一：柔性BaTiO3陶瓷纳米纤维膜基础表征及机电耦合效应表征
通过溶胶—凝胶静电纺丝技术制备的柔性BaTiO3纳米纤维膜的面积和厚度可控。该纤维膜具有高度互通性和多孔结构，并且具有可与无纺布和餐巾纸相媲美的柔软性。
高分辨率透射电镜、X射线衍射图和拉曼光谱共同证明了BaTiO3纳米纤维具有压电特性的四方相晶体结构。
通过压电响应力显微镜的双频共振追踪模式证明了此BaTiO3具有优良的压电性能，并通过构建柔性传感器证明了BaTiO3纳米纤维膜的机电耦合效应。
图2 柔性BaTiO3纳米纤维膜的基础表征

要点二：铜电极上锂的电镀/剥离行为研究
通过测试铜电极上锂的电镀/剥离行为和成核过电势，研究了柔性BaTiO3纳米纤维膜对锂枝晶生长的影响。与裸露的铜电极相比，复合铜电极的成核过电势始终低于裸露铜电极上的成核过电势，并且能够保持较高的库伦效率和循环稳定性。
同时，循环后的柔性BaTiO3纳米纤维膜能够保持良好的纤维形貌和晶体结构。通过对比由导电碳纳米纤维膜、非铁电SiO2纳米纤维膜、未极化和极化的BaTiO3纳米纤维膜构筑的复合铜电极对金属锂沉积的调控，我们确定了极化BaTiO3纳米纤维膜对调控锂枝晶生长的正面效应。
通常认为，未极化的压电材料没有压电效应。实验结果表明，极化后 BaTiO3纳米纤维膜调控金属锂沉积不是一种简单的机械屏障，而是一种由压电效应诱导的动态调控。
图3 在不同保护膜作用下的复合铜电极上锂离子的电镀/剥离行为

要点三：锂金属电池电化学性能研究
我们随后用热轧法制备了复合锂负极，并通过对比Li||Li对称电池的性能，分析了界面电阻对循环稳定性的影响。在3mA/cm2的高电流密度下，相对于裸露的锂负极，复合锂负极具有较高的循环稳定性和较低的极化电压。
从电化学阻抗谱可以发现，由复合锂负极构建的电池在整个测试过程中表现出稳定且较小的电化学阻抗，并且复合锂负极具有较小的厚度和致密表面。随后，我们将复合锂负极与高压LiNi0.8Co0.15Al0.05O2（NCA）正极匹配组装了电池。
在高NCA负载量（7.2mg/cm2）和少电解液含量（7µL/mg）条件下进行了电池测试。在1C和5C的高倍率下，电池呈现出较为可观的循环稳定性和容量保持率。
图4 锂金属电池电化学性能研究

文章链接

Dynamic Regulation of Lithium Dendrite Growth with Electromechanical Coupling Effect of Soft BaTiO3 Ceramic Nanofiber Films
https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsnano.0c09745


添加官方微信 进群交流

SCI二氧化碳互助群

SCI催化材料交流群

备注【姓名-机构-研究方向】

说明

🔹本文内容若存在版权问题，请联系我们及时处理。

🔹欢迎广大读者对本文进行转发宣传。

🔹《科学材料站》会不断提升自身水平，为读者分享更加优质的材料咨询，欢迎关注我们。

投稿请联系contact@scimaterials.cn

致谢

感谢本文作者对该报道的大力支持。

【声明】内容源于网络
0
0
科学材料站
内容 9163
粉丝 0
科学材料站
总阅读9.0k
粉丝0
内容9.2k