Li-O2電池/AM/Xinbo Zhang:原位設計的梯度Li+同時捕獲和擴散的陽極保護層可實現長壽命鋰氧電池

2021-01-18 金屬空氣電池
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【論文連結】

https://doi.org/10.1002/adma.202004157

【作者單位】

Changchun Institute of Applied Chemistry/Chinese Academy of Sciences, University of Science and Technology of China, King Abdullah University of Science and Technology, Chongqing University

【背景摘要】

1 鋰金屬是唯一一種能夠使鋰氧電池實現其高理論能量密度（≈3500 Wh kg–1）的陽極材料。然而，鋰金屬陽極固有的不可控枝晶生長和嚴重的腐蝕限制使其快速退化，阻礙了鋰電池的實際應用。

2 本文採用熔融鋰與聚四氟乙烯（PTFE）一步原位反應在鋰金屬陽極上製備了一種多功能互補型LiF/F摻雜碳梯度保護層。上層碳中豐富的強極性C−F鍵不僅可以作為Li+的捕獲位點來預均勻Li+流，而且還可以調節LiF的電子結構，使Li+從碳表面準自發擴散到LiF表面，避免了Li+的強粘附誘導Li聚集。對於LiF，它可以作為快速Li+導體，使鋰上的成核中心均勻化，並確保與鋰的牢固連接。

3 因此，這種精心設計的保護層使鋰金屬陽極在乙醚基和碳酸鹽酯基電解質中都具有無枝晶的電鍍/剝離和防腐蝕性能。即使在Li−O2電池中使用保護鋰陽極，其優越性仍然可以保持，使電池獲得穩定的循環性能（180次循環）。

 

【實驗方法】

PTL (refersto the lithium metal anode after protection)的製備

    將鋰片與PTFE微粉在300℃下在熱板上反應5分鐘。在冷卻到室溫後，對鋰表面殘留的聚四氟乙烯粉末進行仔細清洗，以獲得PTL。所有的步驟都是在充Ar氣手套箱裡進行的。


 【圖文摘要】






 

【主要結論】

1我們設計了一種鋰板與聚四氟乙烯微粉之間的一步原位反應，以生成多功能互補的LiF/F摻雜碳梯度保護層，該保護層無縫地覆蓋在鋰金屬陽極上，從而解決了鋰電池中鋰陽極的長時間枝晶生長和腐蝕問題，並提高了電化學性能。

2 第一性原理計算表明，這種梯度保護層將摻氟碳的均勻化鋰離子流功能和鋰離子快速擴散能力結合在一起，同時通過降低摻氟碳的鋰離子擴散勢壘和提高鋰離子的吸附能，使兩相補長取短。因此，這種保護層能夠在具有乙醚基和碳酸鹽酯基電解質的對稱電池中實現更快的充電/傳質動力學和在較低的成核/生長勢壘下無枝晶鋰的電鍍/剝離。

3 此外，PTL在Li−O2電池中得到了成功的實際應用，極大地緩解了鋰金屬陽極上的致命枝晶生長和副反應，並顯著提高了循環穩定性（180次循環）。

4 這種獨特的陽極保護設計策略為金屬基電池中鹼金屬陽極的實際研究開闢了一條新的途徑。



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