【能源】硼、氮、氟掺杂的项链状碳纤维负载Sn纳米颗粒用于少负极5V级锂金属电池- 大数跨境

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2025-01-18

导读：香港城市大学楼雄文教授团队开发了一种轻质多功能的三维Sn@B/N/F-CMFs集流体，由硼、氮、氟掺杂的项链状碳纤维负载Sn纳米颗粒组成，用于提升少锂5V级锂金属电池的性能。

与最先进的锂离子电池相比，采用有限锂金属负极与5V级LiNi_0.5Mn_1.5O₄正极的组合有望有效提升电池的能量存储能力。然而，有限锂金属在循环过程中因效率低、枝晶、体积膨胀大、粉化等问题，电池的循环稳定性亟需改善。

近日，香港城市大学楼雄文教授团队开发了一种轻质多功能的三维Sn@B/N/F-CMFs集流体，由硼、氮、氟掺杂的项链状碳纤维负载Sn纳米颗粒组成，用于提升少锂5V级锂金属电池的性能。相关成果发表在Angew. Chem. Int. Ed.上。

合成和结构表征

图1. 材料设计及其表征。

首先，作者采用平均尺寸约为1.3微米的均匀实心ZnSn(OH)₆作为起始材料，通过可控的化学刻蚀获得ZnSn(OH)₆中空盒，采用静电纺丝工艺将中空盒串联，最后热还原成硼、氮、氟共掺杂碳纤维负载锡纳米颗粒的三维集流体。

图2. 材料表征。

X射线衍射（XRD）图谱证实了锡的形成。经过高分辨扫描电镜（SEM）和透射电镜（TEM）显示，Sn纳米颗粒被封装在碳纤维的立方盒中。元素分布图证实了硼、氮、氟元素的引入。拉曼曲线对比Sn@B/N/F-CMFs和N-CMFs的D带和G带表明Sn@B/N/F-CMFs可促进快速的离子传输。

锂沉积/剥离形貌研究

图3. 锂在Sn@B/N/F-CMFs、B/N/F-CMFs和N-CMFs集流体上的锂沉积/剥离行为对比。

锂在集流体上的沉积/剥离演变表明金属锂在Sn@B/N/F-CMFs的空心纤维内外表面可均匀成核生长和可逆剥离，并在实现高于40 mAh cm^-2的面积容量时表面平整光滑。

半电池电化学性能评估

图4. 半电池电化学性能。

理论计算及其锌沉积形貌研究

图5. 调控锂均匀沉积/剥离的机理研究。

为了研究Sn@B/N/F-CMFs中每种组分对调控锂沉积/剥离行为的作用，作者进行了密度泛函理论（DFT）计算。硼、氮、氟共掺杂的石墨烯样品表现出比裸石墨烯更高的结合能，证实了杂原子掺杂后碳的亲锂性增强。此外，微分电荷密度模型进一步揭示了锂原子与硼、氮、氟共掺杂的石墨烯样品之间的强相互作用，在界面上具有明显的电荷转移。因此，在不同电流密度下，Sn@B/N/F-CMFs集流体与其他宿主相比，具有更低的锂成核和生长过电位。

全电池电化学性能评估

图6. Anode-less 5V级锂金属电池的电化学性能。

最后，作者基于Sn@B/N/F-CMFs集流体，与5 V级LiNi_0.5Mn_1.5O₄正极相匹配，评估了其在扣式和软包全电池中不同N/P比下的电化学性能。

综上所述，本文设计和合成了Sn@B/N/F-CMFs作为三维多功能锂金属集流体，在碳酸酯电解液中实现了高度可逆和无枝晶的锂金属电池。研究显示，所设计的三维网络赋予了Sn@B/N/F-CMFs轻质集流体多种优点，包括降低局部电流密度、缓解体积膨胀、提供丰富的亲锂活性位点、提供足够的空间用于储存锂金属等。因此，Sn@B/N/F-CMFs集流体可以实现高度可逆的锂沉积/剥离效率，在酯类电解液中，Sn@B/N/F-CMFs可以稳定循环超过1700小时，此外，基于Sn@B/N/F-CMFs-Li复合负极和LiNi_0.5Mn_1.5O₄正极的少负极全电池表现出稳定的循环性能。

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