东华大学李光教授和复旦大学余爱水教授《ACS AMI》：具有贯穿通孔的多中空碳纳米复合纤维实现均匀锂沉积

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金属锂负极因具有极高的理论比容量、较低的氧化还原电位和和较低的密度而获得了广泛研究。然而它的实际应用受限于其在循环过程中的体积膨胀、固体电解质界面膜（SEI）破裂和锂枝晶生长，以及随之产生的库伦效率降低、电极粉化甚至电池短路等问题。通过设计功能性三维多孔碳纳米纤维宿主结构来构筑金属锂复合负极是一种行之有效的稳定金属锂负极的方法。然而，碳纳米纤维材料往往与金属锂亲和性差，很难调节电极/电解质界面附近的锂离子浓度。

东华大学李光教授和复旦大学余爱水教授团队通过制备具有贯穿通孔的多中空碳纳米复合纤维材料（HTCNF），利用其原位生成的二氧化钛纳米颗粒改善碳纤维的亲锂性和机械强度。同时，其内部三维贯穿通孔和多中空管道也有利于锂离子的快速传输和均匀沉积，以及缓冲体积膨胀。其作为金属锂宿主可有效调控锂沉积特性，并能够在不同电流密度下进行高库伦效率、无锂枝晶的沉积/剥离行为。具体的，其组装的对称电池在1 mA cm⁻²的电流密度下可稳定循环1300 h，并保持较低的过电位（6 mV）。此外，当该复合负极与LiFePO₄（LFP）正极耦合时，其全电池也表现出高倍率性能和长循环寿命（400圈，容量保持90%）。

相关研究成果以题为“Uniform Deposition and Effective Confinement of Lithium in Three-Dimensional Interconnected Microchannels for Stable Lithium Metal Anodes”发表在《ACS Applied Materials & Interfaces》，并被选为当期的补充封面。东华大学张晶晶助理研究员为论文第一作者。此研究得到国家自然科学基金和上海市科委等经费的资助。

图1. 材料的制备策略与表征。（a）HTCNF合成示意图；（b）材料的XRD图；（c）HPCNF的SEM图； HMCNF-2的（d）SEM 图；（e）TEM图；（f，g）HRTEM图；以及（h） C，Ti，N和O元素分布图。

图2. 锂形核的过电位对比图。（a）Li；（b）HPCNF；（c）HMNCF-2；以及（d）过电位汇总图。

图3. 对称电池的电化学性能表征。对称电池在电流密度为（a，b）1 mA cm⁻²和（c，d）3 mA cm⁻²下的极化情况和循环稳定性测试；（e）对称电池在电流密度为1-5 mA cm⁻²下的倍率性能测试；以及（f）库伦效率的对比测试。

图4. 对称电池不同循环圈数的EIS对比图：（a）HTCNF-2；（b）HPCNF。HMCNF-2对称电池循环300圈后的（c-e）SEM图；（f）TEM图；以及（g）C，Ti， O，N和S元素分布图。

图5. （a）HMCNF-2中TiO₂，碳，石墨-N，吡咯-N和吡啶-N吸附一个Li原子的吸附能。（b，c）在0.1 mA h cm⁻²；（d，e）1 mA h cm⁻²；（f，g）3 mA h cm⁻²；和（h，i）5 mA h cm⁻²的金属锂沉积容量下HMCNF-2主体的SEM图。

图6. 在HMCNF-2上Li沉积的模拟图。

图7. HMCNF-2-Li//LFP全电池的电化学性能表征。（a）在0.5 C电流密度下的长循环对比；（b）倍率性能对比；以及在不同电流下的电压-容量曲线对比：（c）0.5 C；（d）1 C；（e）2 C和（f）5 C。

原文链接
https://doi.org/10.1021/acsami.1c09319

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