华北电力大学李美成团队Nano Energy：动态电荷调控机制实现锂离子均匀沉积

第一作者：张文堤

通讯作者：李美成，李晓丹

通讯单位：华北电力大学，厦门理工学院

锂金属具有较低的电极电位（-3.04 V vs SHE）和极高的理论比容量（3860 mAh g^-1)，被认为是锂离子电池负极材料的最终选择。然而，当锂金属作为负极时，充放电过程中锂枝晶的不可控生长会诱发短路，导致电池失效甚至燃烧。因此，需要开发能够调控或抑制锂枝晶生长的技术策略，确保锂金属电池（LMBs）安全运行。

固体电解质、电解质添加剂和电极界面改造是抑制锂枝晶生长的重要策略。然而，锂金属是一种无框架电极材料，在电化学过程中会持续发生体积变化。当体积发生剧烈变化时，上述策略构建的保护机制会出现不稳定问题，难以持续抑制枝晶生长。而采用导电骨架结构的锂复合负极可以调节锂的镀层、抑制体积变化，被认为是提高锂金属负极电化学性能的理想策略之一。但目前对复合电极骨架的研究集中在亲锂性改善和降低电流密度上，对锂离子沉积过程的细致调节机理研究有待深入。

【工作介绍】

华北电力大学李美成教授团队提出动态电荷调控锂离子均匀沉积策略，以碳布（CC）为基底，并在含氮碳纳米管（NCNTs）表面引入Co纳米颗粒，制备CC@Co-NCNTs骨架，通过调控Co-NCNTs表面的电荷分布，实现锂离子的均匀沉积，获得了在40 mA cm^-2电流密度下可稳定循环超过1300 h的复合负极。CC@Co-NCNTs@Li/LiFePO₄电池在1 C循环500次后仍能提供135 mAh g^-1的可逆容量。该研究结果发表在知名能源领域期刊Nano Energy上。

【内容详情】

图1. CC@Co-NCNTs骨架的微观形貌

图2. CC@Co-NCNTs骨架结构及表面元素状态

图3. Co纳米颗粒对骨架亲锂性及表面电荷分布的影响

图4. COMSOL模拟Co纳米颗粒引入对骨架表面电流密度的影响

图5. CC@Co-NCNTs@Li对称电池的循环稳定性

图6. 对称电池循环后电极表面的形貌结构演变

图7. 锂离子在CC@Co-NCNTs骨架上沉积过程

图8. CC@Co-NCNTs@Li‖LiFePO₄电池性能

【结论】

提出了一种动态电荷调控锂均匀沉积策略。基于3D功能性骨架的CC@Co-NCNTs@Li复合负极具有良好的亲锂性，可诱导锂均匀沉积，交织的碳纳米管和多层次结构为锂沉积提供了良好的导电网络和丰富的成核位点，骨架表面的动态电荷分布可有效调节锂离子均匀沉积。复合负极对称电池在40 mAh cm^-2的电流密度下实现了1300小时以上的优异循环稳定性。

锂金属负极电位低、比容量高，有望应用于锂硫电池、锂空气电池及固态电池等高能量密度的电池系统中，但存在枝晶等问题，因此抑制锂枝晶生长策略的开发仍是未来发展之需。

在接下来的工作中，李美成教授团队将从理论和实验表征上进一步研究锂离子均匀沉积的机制，为推进高能量密度电池系统的应用做出贡献。

Wendi Zhang, Qianxiao Fan, Dongmei Zhang, Lehao Liu, Shen Liu, Zhengyuan Fang, Wei Li, Xiaodan Li, Meicheng Li. Dynamic charge modulate lithium uniform plating functional composite anode for dendrite-free lithium metal batteries. Nano Energy, 2022.

DOI:10.1016/j.nanoen.2022.107677

作者简介

李美成教授、博士生导师，Email: [e-mail]

研究方向：锂/钠离子电池及新型储能技术；太阳电池及太阳能综合利用技术；微能源及智慧能源系统等。

华北电力大学新能源学院院长，国家“万人计划”科技创新领军人才，享受国务院政府特殊津贴，教育部科技委委员，科技部中青年科技创新领军人才，高等学校教学指导委员会委员，首都百名科技领军人才，华北电力大学国家重大科技基础设施办公室常务副主任，国家战略性新兴产业相关专业“新能源材料与器件”带头人。作为通讯作者在Nature Energy、Joule、Advanced Materials等国内外学术期刊发表论文300余篇，多篇文章入选ESI前1%高被引论文。获中国和美国专利授权58项，软件著作权5项，中英文编著8本。以第一完成人获省自然科学一等奖、北京市科技奖等科技奖5项，2019年获“电力科技创新大奖”，2021年获“电力科技成果‘金苹果奖’一等奖”。入选美国斯坦福大学发布的全球前2%顶尖科学家2020年榜单。国家科技奖评审专家，IEEE PES能源发展与发电技术委员会副主席、储能材料与器件技术分委会主席，中国可再生能源学会常务理事、光伏专委会副主任。

李晓丹，博士，副教授，硕士生导师。E-mail: [e-mail]。2016年获得华北电力大学可再生能源与清洁能源专业博士学位，同年进入厦门理工学院从事教学科研工作。曾于澳大利亚联邦科学与工业研究组织（CSIRO）联合培养，主要从事低维纳米材料的可控制备、设计改性及其在新能源器件中的应用研究。