一种Au纳米颗粒夹层石墨烯薄膜(Au-rGO【宝马娱乐

作者:科技材料

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金属锂负极由于高的理论容量(3860mAh/g)和较低的氧化还原电位(-3.04 V,相对于标准氢电极)再次引起人们的广泛关注,并被认为是大能量密度锂离子电池研发中最有前景的负极材料之一。然而,在充放电循环中,锂金属的沉积和剥离通常是不均匀的,这会导致锂枝晶的生长。此外,加之自然形成的固体电解质界面膜的不稳定性,会进一步促进上述现象的发生。一方面,锂枝晶会形成非活性的“死锂”,降低电池库伦效率;另一方面,锂枝晶的持续增长会刺穿隔膜,造成电池内部短路,引发潜在的电池安全问题。

微纳多尺度的仿生结构框架用于金属锂负极载体

目前,为了解决锂负极存在的这些问题,以前的研究方案是通过添加或改变电解液以强化SEI膜的机械性能或者在锂和隔膜之间引入保护层作为人工SEI膜,或者是利用三维骨架降低电流密度,延迟枝晶生长。但是,不均匀的锂成核仍会发生在SEI膜下和三维结构内部。

《国家科学评论》在线发表了中科大俞书宏教授课题组的最新研究成果,文章提出了一种微纳多尺度的仿生结构框架用于金属锂负极载体。基于本课题组已有的人工木头仿生成果,通过调节定向冷冻参数,可获得尺寸可调控的微米级垂直孔道。在此基础上,通过高频高压电镀沉积,可在孔道内壁修饰上一层均匀分布的纳米合金成核点。该仿生设计通过微-纳双结构的协同作用,极大地提升了金属锂负极的稳定性。

最近,南京大学现代工学院张会刚教授课题组与美国伊利诺伊大学香槟分校Paul Braun团队合作研发了一种Au纳米颗粒夹层石墨烯薄膜的“层间电镀”技术,并将其运用于稳定锂金属负极电极,表现出优异的库伦效率和对称电池测试。最后,作者通过不同的表征手段证实了该项技术确实可以诱导锂金属的均匀沉积。该文章发表在国际著名期刊AdvancedFunctional Materials上(影响因子:13.325)。

千百年来,自然界提供的各种原材料一直是人类生存繁衍的基础。然而,随着对自然界了解程度的加深,人们开始更加关注生物体内部独特的微纳结构,并从中获得启示,开发出了各种各样的仿生材料。如今,仿生结构设计已被应用到力学材料、隔热和催化等各个领域。

利用锂金属在Au基底上无需额外的成核能这一原理,将Au纳米颗粒分散于层状石墨烯薄膜中,诱导锂离子穿过石墨烯层在Au颗粒上成核,并最终致使锂金属在石墨烯层间水平生长。

在电池材料中,锂金属负极由于其高比容量和低电位而一直受到广泛关注。然而,电化学循环过程中的枝晶生长和体积膨胀等问题极大地限制了锂金属负极的实际应用。在众多的解决方案中,引入三维框架可以增大负极材料的比表面积,从而减小实际电流密度,使锂金属的沉积、脱出过程更加均匀。然而,在三维框架中有若干不得不面对的问题。一是微观结构尺寸的可调控性,即探究结构-性能的关系,以得到最优结构;二是结构稳定性,即三维框架是否可以耐受化学腐蚀以及一定压力,使其三维效应不会在压片和电化学循环过程中失效;三是与锂金属的亲和性,这样就可以减少锂沉积的成核能,达到诱导均匀沉积的效果。因此,如何研制结构可调、性能稳定,同时具有良好亲锂性的框架,是锂金属三维设计中面临的主要挑战。

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