納米金剛石輔佐的充電機(jī)充電鋰電池中鋰枝晶成長的辦法
2017-8-30 8:21:48??????點(diǎn)擊：
【引言】
鋰作為最輕的金屬，具有遠(yuǎn)高于商用石墨負(fù)極的大理論比容量(3860mAh g-1)。金屬鋰上Li+/Li氧化還原對供給了最低的電勢(-3.04V vs. SHE)，然后所得金屬充電機(jī)充電鋰電池簡單完成高作業(yè)電壓。但是，金屬鋰負(fù)極在循環(huán)中發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)的鋰枝晶，一方面鋰枝晶導(dǎo)致短路引發(fā)安全事故，另一方面，鋰枝晶增加了金屬鋰和電解液的觸摸面積，構(gòu)成“死鋰”，下降庫倫功率、增加極化、減縮循環(huán)壽數(shù)。這些問題都約束了金屬充電機(jī)充電鋰電池的實(shí)踐運(yùn)用。
選用固態(tài)/凝膠聚合物電解質(zhì)、調(diào)控金屬鋰外表空間電荷、引進(jìn)三維納米骨架能夠按捺金屬鋰的生成。如果能夠從成核角度調(diào)控金屬鋰堆積，有望進(jìn)一步了解金屬鋰循環(huán)原理，完成金屬鋰的受控堆積。事實(shí)上，枝晶成長問題不只是可充電金屬充電機(jī)充電蓄電池范疇特有的。傳統(tǒng)的電鍍工業(yè)中，曾廣泛研討過Ni、Co這些金屬涂層的均勻成長與枝晶按捺。當(dāng)時(shí)，納米金剛石共堆積技能現(xiàn)已廣泛運(yùn)用于工業(yè)生產(chǎn)傍邊。金屬離子吸附在納米金剛石的外表，經(jīng)過在電解槽和電場中的電解質(zhì)搬運(yùn)運(yùn)到電極外表；金屬離子吸收電子，還原成金屬堆積在電極外表。因此，經(jīng)過抓獲少數(shù)納米金剛石粒子，就能夠調(diào)控固體電解質(zhì)界面膜外表的納米粒子潤飾堆積狀況，以望調(diào)控金屬鋰的形核，按捺金屬鋰枝晶的成長。
【成果簡介】
近來，來自清華大學(xué)的張強(qiáng)教授（通訊作者）研討團(tuán)隊(duì)、德雷塞爾大學(xué)的Yury Gogotsi教授（通訊作者）研討團(tuán)隊(duì)以及華中科技大學(xué)江建軍教授研討團(tuán)隊(duì)在Nature Communications上宣布題為”Nanodiamonds suppress the growth of lithium dendrites”的文章。該文章報(bào)導(dǎo)了一種受電鍍工業(yè)所啟示的共堆積辦法，運(yùn)用納米金剛石作為增加劑，增加進(jìn)入經(jīng)典鋰離子充電機(jī)充電蓄電池電解液（LiPF6作為溶質(zhì)、EC/DEC作為溶劑）中，以此按捺鋰枝晶的成長。經(jīng)過建立與電解槽類似的兩電極系統(tǒng)（銅箔作為正極鋰箔作為負(fù)極），ODA官能團(tuán)潤飾的納米金剛石粒子參加并分散在酯基電解質(zhì)傍邊，鋰離子與金納米金剛石共堆積在基底上，發(fā)生了均勻無枝晶的鋰堆積，得到了安穩(wěn)的電化學(xué)循環(huán)功能。
【圖文導(dǎo)讀】
圖一：納米金剛石增加在電解質(zhì)中的性質(zhì)和鋰離子電堆積中的運(yùn)用。
(a) 電解槽示意圖；
(b) 納米金剛石增加劑按捺鋰枝晶的成長；
(c) 納米金剛石粒子的TEM圖。
(d) 增加了納米金剛石的LiPF6-EC/DEC電解液圖畫前后比照；
(e) LiPF6-EC/DEC電解液中納米金剛石聚會物的孔徑分布；
(f) 吸收了鋰離子的納米金剛石粒子。
圖二：直流電鍍后鋰堆積的描摹。
沒有增加(a)和有增加(f)納米金剛石的圖形描繪；
(b)-(e) 沒有增加劑的LiPF6-EC/DEC電解質(zhì)中的鋰堆積的SEM圖；
(g)-(j) 有增加劑的LiPF6-EC/DEC電解質(zhì)中的鋰堆積的SEM圖；
圖三：榜首性原理核算描繪鋰離子在納米金剛石外表的堆積行為。
(a) 納米金剛石和銅的低指數(shù)切面外表能；
(b) 鋰在納米金剛石外表(110)和銅外表(111)的不同電荷密度；
(c) 鋰在不同外表的分散壁壘；
(d) 鋰在納米金剛石(110)外表的最安穩(wěn)的吸收位點(diǎn)和分散途徑。
圖四：長期循環(huán)的電化學(xué)安穩(wěn)性。
對稱Li|Li充電機(jī)充電蓄電池在(a)1mA cm-2和(b)2 mA cm-2的充放電曲線；
(c) 電壓-時(shí)間曲線核算Li|Cu充電機(jī)充電蓄電池的平均庫倫功率；
(d) 圖c中5-15h的擴(kuò)大圖；
0.5mA cm-2電流密度下有增加劑(e)和無增加劑(f)的鋰堆積描摹。
圖五：鋰離子和納米金剛石的共堆積。
當(dāng)在電解液中增加少數(shù)納米金剛石顆粒時(shí)，這些粒子能夠在電場和流體的傳送效果下抵達(dá)負(fù)極外表，并均勻分布，成為鋰離子的形核點(diǎn)。納米金剛石與鋰離子具有強(qiáng)吸附效果，這些均勻分布的納米金剛石形核點(diǎn)將會吸附鋰離子在這些點(diǎn)的堆積。因?yàn)殇囯x子在納米金剛石外表的分散勢壘很小，鋰離子傾向于在納米金剛石外表均勻堆積。
【總結(jié)與展望】
提出了一種納米金剛石輔佐的按捺金屬充電機(jī)充電鋰電池中鋰枝晶成長的辦法。在金屬鋰構(gòu)成過程中，納米金剛石粒子作為異相成核種子并吸收鋰離子。因?yàn)殇囯x子在納米金剛石外表的低能量分散壁壘，吸收的鋰離子發(fā)生了均勻的鋰堆積。納米金剛石潤飾的電解液供給了安穩(wěn)的循環(huán)壽數(shù)，在Li|Li充電機(jī)充電蓄電池中，1mA cm-2電流密度下循環(huán)200h，2mA cm-2電流密度下循環(huán)150h，在Li|Cu充電機(jī)充電蓄電池中，庫倫功率到達(dá)96%（無增加劑電解液中為88%）。
相關(guān)研討成果宣布于Nature Communications 2017, 8, 336, DOI: 10.1038/s41467-017-00519-2。該作業(yè)在北京市科委、科技部、自然科學(xué)基金委、清華大學(xué)博士生短期留學(xué)基金的贊助下完成。
文獻(xiàn)鏈接：Nanodiamonds suppress the growth of lithium dendrites (Nat. Commun. 2017, 8, 336, doi: 10.1038/s41467-017-00519-2)
本作業(yè)的榜首作者為清華大學(xué)程新兵博士，通訊作為為清華大學(xué)張強(qiáng)及美國德雷塞爾大學(xué)Yury Gogosti。
程新兵于2012年本科結(jié)業(yè)于天津大學(xué)化工系，2017年博士結(jié)業(yè)于清華大學(xué)化工系，師從于清華大學(xué)張強(qiáng)。2016年其遭到清華大學(xué)博士生短期留學(xué)基金贊助，赴美國德雷克塞爾Yury Gogotsi教授課題組拜訪。程新兵以榜首作者身份在Chem Rev，Chem，Nat Commun，Adv Mater, Angew Chem, ACS Nano等國際學(xué)術(shù)期刊上宣布SCI論文21篇, 5篇當(dāng)選ESI高被引數(shù)據(jù)庫，1篇當(dāng)選2014年我國百篇最具影響國際學(xué)術(shù)論文。程新兵博士曾取得清華大學(xué)研討生學(xué)術(shù)新秀、優(yōu)異博士論文一等獎等獎賞。
清華大學(xué)張強(qiáng)研討團(tuán)隊(duì)致力于動力資料，尤其是金屬鋰、充電機(jī)充電蓄電池、電催化方面的研討。在金屬鋰負(fù)極范疇內(nèi)，經(jīng)過原位手法研討固態(tài)電解質(zhì)面膜，選用納米骨架、人工SEI、外表固態(tài)電解質(zhì)維護(hù)調(diào)控金屬鋰的堆積行為，按捺鋰枝晶成長，完成金屬鋰的高效安全使用。這些相關(guān)研討作業(yè)宣布在Small 2014, 10, 4257; ACS Nano 2015, 9, 6373; Adv. Mater. 2016, 28, 2155-2162; Adv. Mater. 2016, 28, 2888-2895; Adv. Sci. 2016, 3, 1500213; Energy Storage Mater. 2016, 3, 77-84; Adv. Funct. Mater. 2017, 27, 1605989; Energy Storage Mater. 2017, 6, 18-25; Chem 2017, 2, 258–270; Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 7764等。近期，該研討團(tuán)隊(duì)在Chem. Rev.進(jìn)步行了二次充電機(jī)充電蓄電池中安全金屬鋰負(fù)極評述（Chem. Rev. 2017, 117, 10403）。
美國德雷克塞爾Yury Gogotsi（尤里-高果奇）教授是碳素資料和陶瓷資料技能范疇的國際聞名學(xué)者。多年來，Yury Gogotsi教授帶領(lǐng)研討團(tuán)隊(duì)在碳資料范疇展開了深化系統(tǒng)的研討，選用先進(jìn)辦法取得了新穎的碳納米管、介孔碳、洋蔥碳以及石墨烯等多種碳資料，并探究了它們在鋰離子充電機(jī)充電蓄電池、電化學(xué)電容器中的運(yùn)用，取得了一系列重要的研討成果。他在國際上率先將層狀陶瓷（MAX相）剝離為二維資料（MAXene，如二維過渡金屬碳化物或碳氮化物）。近年來，Yury Gogotsi教授承當(dāng)了美國國防部、動力部以及國家自然科學(xué)基金的許多重要科研項(xiàng)目。現(xiàn)在已宣布450余篇學(xué)術(shù)論文，其間在Science、Nature及其子刊宣布論文超越25篇，Science、Nature及Nature系列、Adv Mater等聞名期刊上宣布論文超越400篇，被引證次數(shù)超越21000次，并與人合著2本作品，參加了13本書的編著。其研討成果得到了同行專家的高度評價(jià)，先后取得美國、歐洲、我國等多個(gè)國家40余項(xiàng)學(xué)術(shù)獎賞，他曾取得包含“European Carbon Association Award”、“Highly Cited Researcher”在內(nèi)的多個(gè)國際獎項(xiàng)及榮譽(yù)，2014年被Thomson Reuters評為“國際最有影響力的科學(xué)家”。
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