DOI: 10.1021/acsnano.0c09745
鋰（Li）金屬電池（LMBs）為開發高能量密度儲能系統提供了巨大的機會，但其負極存在嚴重的枝晶生長問題，這阻礙了鋰金屬電池的實際應用。在此，研究者報道了一種具有優良鐵電性和壓電性的軟鈦酸鋇陶瓷納米纖維薄膜，它能使鋰金屬的致密沉積橫向化。在鍍鋰過程中，強鐵電性降低了負極附近的鋰離子濃度梯度，從而有利于其均勻沉積。一旦受到鋰沉積的擠壓，鈦酸鋇薄膜就會產生瞬時壓電效應，從而使隨后的鋰沉積由垂直向橫向動態轉變。結果表明，Li-Cu電池在200多個循環中表現出可逆的電鍍-剝離過程，庫侖效率高于98.3％。當與高壓LiNi0.8Co0.15Al0.05O2正極配對時，即使在正極負載高達7.2mg/cm2、貧電解液量為7μL/mg等具有挑戰性的條件下，LMBs也能在300次循環中保持80％以上的容量而不會形成枝晶。這一發現為鋰金屬負極的設計提供了一種很有前途的策略，其通過機電耦合來動態調控枝晶的生長。
圖1.材料合成和機理示意圖。（a）軟質多孔BTO陶瓷NF薄膜的通用程序。（b）使用軟壓電BTO NF薄膜動態調節Cu電極枝晶生長的示意圖。BTO的鐵電性降低了集電器附近的鋰離子濃度梯度并促進了其均勻沉積，而壓電性改變了樹枝晶的生長路徑并使其橫向沉積。
圖2.材料表征。（a）面積為2530cm2的軟BTO薄膜的光學圖像。（b）BTO NF薄膜的橫截面掃描電子顯微鏡（SEM）圖。（c）BTO NF薄膜的SEM俯視圖。插圖為孔徑分布圖。（d）軟BTO NF薄膜的彎曲剛度和光學顯示。（e）BTO NFs的HRTEM圖像，（f）EDS映射和（g）能量色散X射線光譜。（h）BTO NF薄膜的XRD和（i）拉曼光譜。
圖3.壓電特性表征。（a-c）軟BTO NF薄膜的壓電響應幅度和相位曲線，以及相應圖像。在不同的（d）壓力和（e）彎曲角度下傳感器貼片的開路電壓的放大圖。（f）按壓模式和（g）彎曲模式下傳感器貼片的靈敏度。（h）按壓模式和（i）彎曲模式下開路電壓的開關極性測試。
圖4.銅電極上鋰的電鍍/剝離行為和成核過電位。（a）在不同電流密度下，不同Li-Cu電池的成核過電位。（b）不同的Li-Cu電池在1mA/cm2下的成核過電位曲線。（c）不同的Li-Cu電池在1和2mA/cm2下的CE比較。（d）裸Cu電極和（e）復合Cu電極上的Li沉積形態。（f）循環后BTO NF薄膜的SEM俯視圖，（g，h）HRTEM圖像和（i）EDS圖。
圖5.具有不同保護膜的復合銅電極上的鋰離子電鍍/剝離行為。在3mA/cm2的電流密度下鍍鋰10小時后，用（a）極化的BTO NF薄膜，（b）非極化的BTO NF薄膜，（c）CNF薄膜和（d）SiO2 NF膜保護的Cu電極的橫截面圖和相應的EDS映射。
圖6.LMBs的電化學性能。（a）Li-Li電池在3mA/cm2下的長期循環穩定性。（b）恒電流充/放電曲線的局部放大圖。在3mA/cm2下進行不同循環時（c）裸露和（d）復合Li負極的EIS。在3mA/cm2下循環100小時后，（c1，c2）裸露和（d1，d2）復合鋰陽極的形態表征。（e）使用軟包裝LMB點亮六個燈泡的光學圖像。LMBs在（f）1C和（g）5C下的循環性能。
微信二維碼
