当前位置： 绝缘体 >> 绝缘体介绍 >> 金属锂崔屹宫勇吉AM三维绝缘体金
背景
对于锂金属阳极，固体电解质界面(SEI)对于避免与电解质的连续副反应、调节金属锂的形核和生长起着至关重要的作用。然而，自然形成的SEI在结构上是不均匀的，机械上很脆弱，因此在巨大的体积变化下会不断地破裂和改革，导致快速的锂和循环电解液的耗尽。为避免副反应和枝晶Li的生长，设计均匀稳定的SEI层，对于制造实用电池的锂金属阳极是非常重要的。尽管在防止锂(Li)枝晶生长方面做了大量的研究，但由于液态电解质与Li的直接接触，各种结构的Li金属阳极的稳定循环仍不能满足现实使用要求。
近日，北航大学材料科学与工程学院宫勇吉教授与Stanford大学崔屹教授用g-C3N4/石墨烯/g-C3N4绝缘体-金属-绝缘体夹层纳米片构建了一种3D架构，以引导在石墨烯和g-C3N4之间的范德华间隙中均匀镀锂/条带，这种结构可视为3D的人工SEI膜。由于g-C3N4的绝缘性，其表面的Li沉积受到抑制。但是，其均匀的亲锂位点和纳米孔道使得石墨烯和g-C3N4之间可以均匀镀锂，禁止电解液与金属锂的直接接触。使用g-C3N4层改性的3D阳极，可以在高阴极负载、有限的锂过剩和瘦电解质条件下，实现长期的锂沉积，并具有较高的库仑效率和稳定的全电池循环。3D人工SEI的概念将为开发安全稳定的锂金属阳极提供启示。
图文解析
图1.石墨烯和g-C3N4之间的范德华间隙中的Li沉积示意图。石墨烯和g-C3N4之间的范德华间隙中Li沉积的说明。a)2Dg-C3N4/石墨烯电极上的Li沉积。由于体积变化大，局部电流密度高，2D人工C3N4层在循环过程中容易出现裂纹，因此将Li暴露在电解液中，并诱导Li树枝状的形成。b)3Dg-C3N4/G/g-C3N4电极上的Li沉积。3D结构有效地适应了体积变化，降低了局部电流密度。具有高均匀性的3D人工g-C3N4层可以调节g-C3N4与石墨烯之间的范德华间隙中Li的保形沉积。
图2.界面Li沉积和形成均匀的人工SEI。界面Li沉积和形成均匀的人工SEI。a）模拟g-C3N4/G界面的电荷密度差。石墨烯中的C原子由灰色球代表。b)g-C3N4/G界面镀上8个Li原子的DFT模拟。c)g-C3N4/G模型镀上不同数量Li原子后的自由能垒的DFT计算。d)电镀0.5mAcm-2的Li原子后，不同溅射时间下的2Dg-C3N4/G/Cu电极的原子组成比的SEM图像和e)定量计算；f)电镀0.5mAcm-2的Li原子后，不同溅射时间下的2DG/Cu电极的原子组成比定量计算。
图3.3Dg-C3N4/G/g-C3N4电极的表征。
图4.Li沉积在电极上的形态演变沉积在电极上的Li的形态演化与否3D人工SEI。
图5.3Dg-C3N4/G/g-C3N4镀锂电极的循环稳定性3Dg-C3N4/G/g-C3N4电极镀锂/条带的循环稳定性及Li-3Dg-C3N4/G/gC3N4
LFP电池的电化学性能。
三维g-C3N4/G/g-C3N4复合电极的设计具有诸多优点：与2D平面电极(图1a)相比，3D石墨烯骨架可以有效地降低镀锂/剥离过程中的局部电流密度和体积变化，从而保持整体电极的结构稳定性。
由于g-C3N4具有很强的绝缘性，Li不会沉积在g-C3N4表面。作为一种均匀的SEI，g-C3N4层由于富含N物种，不仅可以为锂的成核提供足够的位置，而且可以通过结构纳米孔来调节石墨烯和g-C3N4之间的范德华间隙中锂的沉积。
g-C3N4的非晶态性质确保了其高度的均匀性，没有脆弱的晶界。
总结
提出了一种基于g-C3N4层的三维人工SEI，它具有较高的结构和成分均匀性，可以在石墨烯和g-C3N4之间的范德华间隙中引导均匀的Li成核和保形Li沉积。实现了Li金属阳极的高库仑效率，且无树枝状生长。与高容量阴极配对，全电池在有限的Li过剩和瘦电解质条件下可以提供良好的循环稳定性。这些结果证明了范德瓦尔斯间隙作为二维导电/绝缘异质结构促成的金属锂的主机的潜力。该设计利用人工SEI的高均匀性和良好的稳定性，以及3D主机的低局部电流密度和良好的体积变化适应性等优点，有望在金属锂基电池中得到实际应用。
3DArtificialSolid‐ElectrolyteInterphaseforLithiumMetalAnodesEnabledbyInsulator–Metal–InsulatorLayeredHeterostructuresAdvancedMaterials(IF27.)PubDate:-02-25DOI:10./adma.PengboZhai,TianshuaiWang,HuaningJiang,JiayuWan,YiWei,LeiWang,WeiLiu,QianChen,WeiweiYang,YiCui,YongjiGong预览时标签不可点收录于话题#个上一篇下一篇