余桂华教授课题组AM：通过平行排列的多孔纳米片重新分布锂离子通量，用于无枝晶的锂金属负极- 大数跨境

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余桂华教授课题组AM：通过平行排列的多孔纳米片重新分布锂离子通量，用于无枝晶的锂金属负极

科学材料站

2020-08-21

导读：该工作通过在锂金属负极上平行排列的多孔纳米片可同时重新分布电解质和固体电解质中间相中的锂离子通量，从而实现均匀的锂离子分布以及可逆锂的快速锂离子扩散电镀和剥离。

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通讯作者：余桂华*

单位：美国德州大学奥斯汀分校

研究背景

锂金属是组装高能量密度可充电电池的最理想负极材料。然而，在重复的锂电镀和剥离过程中，锂离子通量的不均匀会导致锂枝晶的连续生长和死锂的形成，这会导致安全隐患和使用寿命短，从而阻碍锂金属电池的商业化。

文章简介

近日，美国德州大学奥斯汀分校余桂华教授课题组在国际顶级期刊Advanced Materials上发表题为“Redistributing Li‐Ion Flux by Parallelly Aligned Holey Nanosheets for Dendrite‐Free Li Metal Anodes”的研究工作。

该工作通过在锂金属负极上平行排列的多孔纳米片可同时重新分布电解质和固体电解质中间相中的锂离子通量，从而实现均匀的锂离子分布以及可逆锂的快速锂离子扩散电镀和剥离。以多孔MgO纳米片为例，受保护的锂负极在2500 h内以10 mA cm-2的高电流密度实现了约99％的库仑效率和超长期可逆锂电镀/剥离。使用受保护负极，4 V锂离子正极和市售碳酸盐电解质的全电池，经过500次循环后，容量保持率达到90.9％。

该文章第一作者为Yangen Zhou

余桂华教授为本文通讯作者

要点解析

要点一：多孔纳米片对锂离子再分布的模拟研究

图1. 多孔纳米片对锂离子再分布的模拟研究。

a）平行排列的带孔纳米片保护的Li金属负极中Li离子重新分布行为的图示。电解质和SEI中不同的Li离子扩散系数会导致不同的重新分布行为。

b）模拟电解质通过隔膜的不均匀锂离子通量。

c）模拟平行排列的多孔纳米片（粒径-孔径为50 nm-50 nm），重新分布电解质中不均匀的锂离子通量。

d）多孔纳米片的粒径和孔径对再分布过程后锂离子分布的影响。

e）由SEI表面上的凹坑引起的SEI中非均匀锂离子通量的模拟。

f）将多孔纳米片模拟为快速锂离子扩散层，以重新分布SEI中不均匀的锂离子通量。

g）在SEI中重新分配锂离子之后，锂金属表面上的电流密度分布。

要点二：锂金属上平行排列的MgO纳米片的形貌与结构

图2. 锂金属上平行排列的MgO纳米片。

a–c）具有不同放大倍数的MgO纳米片的STEM和SEM图像。

d）多孔MgO纳米片上的粒径和孔径分布。

e）MgO纳米片的AFM图像。

f）在Li金属上平行排列的MgO纳米片的横截面SEM图像。

要点三：平行于锂金属表面的平行排列的多孔MgO纳米片与电解质和锂金属之间的反应被锂化成富Li的Li-Mg合金，可提供快速的Li离子扩散通道

图3. 锂金属表面保护层的XPS表征。

a–d）Li电极在具有二甲氧基乙烷和1的LiTFSI电解液中循环的不同溅射时间后的C 1s（a），O 1s（b），Li 1s和Mg 2p（c）和F 1s（d）在以3-二氧戊环作为溶剂进行25个循环后的光谱。

要点四：多孔MgO纳米片保护的锂金属和Li||NCM 全电池都显示出优秀的电化学性能

图4. MgO保护的锂金属和裸露的锂金属的电化学性能。

a）具有裸露的锂电极或带有受保护的锂电极的对称电池的循环性能。

b）比较具有MgO保护的Li箔的对称Li || Li电池的循环寿命，以及以前报道的通过各种策略稳定的出色的Li金属负极的循环寿命。

c）Li在裸露的Cu电极上以及堆积的多孔MgO纳米片保护的Cu电极上的Li沉积的库伦效率。

图5. Li || NCM全电池的电化学性能。

a）电池在1 C的循环次数时的容量保持率。

b，c）没有（b）和（c）保护的满电池的充放电电压曲线。

d，e）在没有（d）和具有（e）保护的情况下，经过150个循环的锂金属负极的形态。

结论

总之，在锂金属负极上平行排列的多孔二维材料可以在电解质和SEI中重新分配不均匀的锂离子通量，同时提供快速的锂离子传输，这使得锂金属无枝晶沉积。高速率，进而大大延长了锂金属电池的循环寿命。

此外，通过平行排列的多孔2D材料保护锂金属沉积是一种常规策略。因为许多金属氧化物可以被锂化以形成具有快速锂离子扩散系数的富锂合金颗粒。可以通过相同的GO模板方法制备这些金属氧化物的多孔纳米片结构此处以ZnO为例进行了报道。

使用平行排列的多孔ZnO纳米片作为保护膜，可以观察到高沉积能力和高速率的Li金属的均匀且无枝晶沉积。这项工作为基于多孔2D材料的锂离子通量的重新分配开辟了系统工程，使锂金属负极在高倍率和高面积容量下具有出色的循环性能。

文章链接:

Redistributing Li‐Ion Flux by Parallelly Aligned Holey Nanosheets for Dendrite‐Free Li Metal Anodes

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202003920

导师简介:

余桂华

美国德克萨斯大学奥斯汀分校材料科学与工程系、机械系终身教授，英国皇家化学学会会士（FRSC）。余桂华教授课题组的研究重点是新型功能化纳米材料的合理设计和合成，尤其在能源水凝胶的新兴材料的开创性工作，对其化学和物理性质的表征和探索，以及推广其在能源、环境和生命科学领域展现重要的技术应用。目前已在Science, Nature, Nat. Nanotech., Nat. Commun., Sci. Adv., PNAS, Chem. Soc. Rev., Acc. Chem. Res., Chem, Joule, JACS, Angew. Chem., Adv. Mater., Nano Lett., Energy Environ. Sci., ACS Nano, Nano Today, Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater.等国际著名科技刊物上发表论文130余篇（近110余篇在影响因子大于10的科学杂志），论文引用~30000次，H-index~88。其发表工作曾被多个国际媒体亮点报道，其中包括Nature News, Science News, ABC News, Fox News, Forbes, Discover, National Geographic, Science Daily, R&D Magazine, MIT Technology Review, Popular Science, Ars Technica, C&EN, IEEE Spectrum, Chemistry World, Materials World, MRS Bulletin等。

余桂华教授现任ACS Mater. Lett.副主编，也兼任一系列国际著名化学和材料科技期刊的编委：Chem (Cell Press), ACS Cent. Sci., Chem. Mater. (ACS), Sci. Rep. (Nature Publishing), Energy Storage Mater. (Elsevier), Sci. China Chem., Sci. China Mater. (Science China Press), Batteries Supercaps (Wiley-VCH), Energy Environ. Sci (Wiley-VCH), Front. Energy Res., Appl. Nanosci. (Springer), Energies (MDPI)等。曾获多项国际学术奖励，其中包括近期的英国皇家化学会会士（FRSC），美国能源部杰出青年科学家奖，美国著名的Camille Dreyfus Teacher-Scholar奖和斯隆研究奖（Sloan Research Fellow），Nano Letters、Chemical Society Reviews和Small 等多个著名杂志的杰出青年科学家奖，英国皇家化学会和美国化学会“杰出青年化学家”奖，美国麻省理工（MIT）评选的全球35位杰出青年创新人物之一，国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）颁发的五位国际青年化学家奖之一等等，并在国际和美国多类大型学术会议及大学做过110多场邀请报告或学术讲座。