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文檔簡介

研究背景金屬鋰負極由于其高比容量(3860mAhg-1),是石墨的10多倍以上,被認為是鋰電池負極的“圣杯”材料。然而,鋰金屬的固有反應會導致其循環(huán)穩(wěn)定性和安全性較差,使鋰金屬電池(LMBs)的商業(yè)化具有挑戰(zhàn)性。目前,鋰金屬電池在低電流密度(<1mAcm-2)循環(huán)數(shù)百圈后,可實現(xiàn)>99.5%的庫倫效率和>80%的容量保持率。然而,在高電流密度下,鋰金屬負極通常表現(xiàn)出較差的循環(huán)性能,這會限制鋰金屬負極在高功率電池的應用。成果簡介在此,斯坦福大學教授報道了一種具有花狀納米結(jié)構(gòu)的硬碳載體(CF)?;罴{米硬碳負極在充放電過程中會伴隨著鋰離子的脫嵌和鋰的電鍍/剝離,產(chǎn)生混合的鋰離子/鋰金屬負極容量。當使用商業(yè)電解液時,即使在12mAcm-2(2mAhcm-2)的電流密度下,CF電極的庫倫效率大于99%。優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性歸因于CF的開孔納米結(jié)構(gòu),其具有均勻的鋰鍍層形態(tài)和快速的離子擴散途徑。此外,CF||NMC811全電池在10mA/cm2電流密度下進行200次循環(huán)后,容量仍可以保持~70%。詳情簡介1.

花狀碳的物理表征圖1

(a)CF的SEM圖像;(b)CF和CS的拉曼光譜;(c)CF和CS的XPS測量光譜;(d)CF和CS的高分辨率C1sXPS光譜;(e)CS的SEM圖像;(f)CF和CS的N2洗脫附等溫曲線;(g)CF和CS的孔隙尺寸分布和(h)BET表面積和孔隙體積。

研究納米結(jié)構(gòu)對鋰電鍍行為的影響,作者合成了兩種硬碳顆粒:花狀硬碳顆粒(CF)和球形硬碳顆粒(CS)。圖1a、e分別為CF和CS的SEM圖像。CF具有獨特的開孔顆粒形態(tài),該結(jié)構(gòu)可以促進離子的擴散。圖1b顯示了CF和CS的拉曼光譜。重疊的D和G峰表明CF和CS具有幾乎相同的碳鍵結(jié)構(gòu)。在XPS譜圖(圖1c),CF和CS的表面組分主要為C和O元素,此外,圖1d的高分辨率C1sXPS峰,也表明了兩種材料具有化學環(huán)境相似的碳。然而,由于CF上存在納米結(jié)構(gòu),CF和CS的孔隙結(jié)構(gòu)有所不同。與CS相比,CF的N2吸附量要高得多,特別是在高壓區(qū)域,說明CF具有更多的介孔和大孔(圖1f)。N2等溫曲線得到的孔徑分布也顯示出CF中具有更多的介孔(圖1g)。CF的表面積和孔隙體積也高于CS(圖1h)。

2.

鋰電鍍行為的研究圖2

(a)CF的典型充放電電壓曲線;(b)充放電過程中CF的形態(tài)演化。

作者首先研究了Li||CF半電池在CF上的鋰電鍍行為。典型的充電(鋰化)和放電(去鋰化)電壓曲線如圖2a所示。CF電極以700mAh/g的比容量進行鋰化,以平衡比容量和循環(huán)壽命。CF的比容量主要來源于:鋰離子插層和鋰金屬電鍍。當局部電壓大于0V時(vsLi+/Li),由于CF的硬碳性質(zhì),鋰離子插層是主要的容量貢獻者。進一步的過鋰化導致電壓低于0V(vsLi+/Li),會發(fā)生鋰電鍍行為。

如圖2a所示,當Li鍍在CF上時,沒有出現(xiàn)明顯的鋰成核過電位。該現(xiàn)象與許多三維碳載體材料不同,表明Li可以均勻地電鍍在CF的納米結(jié)構(gòu)上。SEM圖像可以進一步證實這一結(jié)果。圖2b中,作者研究了CF顆粒在不同充放電電壓時,鋰化和去鋰化過程中的形態(tài)演化。階段i,CF的“花瓣”尖銳而薄,沒有鋰化。階段ii,在鋰離子插入時,“花瓣”稍微增厚,這可能是由于插入引起的體積膨脹。當電壓低于0V(vsLi+/Li)和開始鋰電鍍時,發(fā)生了更顯著的變化。階段iii,花瓣變得明顯厚,交叉的“花瓣”之間的山谷開始被填滿。階段iv,當達到最大允許容量時,CF花瓣似乎被完全填充并被Li包裹。階段v,一旦剝離過程完成,CF的原始形態(tài)就被恢復了。形態(tài)演化過程表明,金屬Li可以均勻地在“花瓣”上和孔隙中進行沉積/剝離。

圖3(a,b)在CF顆粒(a)和CS顆粒(b)上的鍍Li示意圖;(c,d)鍍Li后CF的SEM圖像;(e,f)鍍Li后CS的SEM圖像。(g)100次循環(huán)后CF電極表面的SEM圖像;(h)100次循環(huán)后CF電極橫截面的SEM圖像;(i)100次循環(huán)后CS電極表面SEM圖像;(j)100次循環(huán)后CS電極橫截面的SEM圖像。

在相同的比容量和電流密度下,作者在CF和CS上觀察到明顯不同的鋰沉積形態(tài)。在第一次沉積過程結(jié)束時,可以觀察到:鋰絲從CS顆粒表面向外生長(圖3b,e,f),而CF顆粒上鋰的形態(tài)是均勻的(圖3a、c、d)。此外,在100次循環(huán)(鋰完全剝離)后,在CF和CS電極上觀察到有顯著差異的形態(tài)。圖3g,i顯示了沖洗后CF和CS電極的表面。CS電極表面被死鋰絲覆蓋(圖3i),而CF電極表面沒有可觀察到的死鋰(圖3g)。圖3h,j顯示了在相同的循環(huán)條件下(100次循環(huán),完全剝離)下未沖洗的CF和CS電極的橫截面圖。作者在CS電極上觀察到一層厚厚的死鋰絲(圖3j),而CF電極上沒有死鋰層。同時,在CF電極上也沒有觀察到的厚SEI層(圖3h)。

CF上均勻的鋰形態(tài)歸因于三個因素:鋰離子嵌入、納米結(jié)構(gòu)的影響和SEI膜結(jié)構(gòu)。首先,鋰離子嵌入在鋰電鍍之前可以改變碳表面的鋰潤濕性。眾所周知,石墨和硬碳在沒有表面改性的情況下是親鋰的。有趣的是,當嵌入鋰離子時,它們是超親鋰的。親鋰表面通常被認為是鋰金屬電鍍的有益性質(zhì),因為它使鋰能夠均勻地潤濕表面而不是形成細絲。因此,鋰離子插層使CF表面親鋰,并使鋰的成核勢壘最小化。第二,納米結(jié)構(gòu)提供了高表面積和大孔體積。如圖3h所示,CF的表面積和孔體積分別是CS的3倍和10倍。盡管CS在插層后是親鋰的,但由于低表面積和小孔隙體積,它只能在顆粒的外表面上容納有限的Li。相反,較高的CF表面積使局部電流密度最小化,并使可用的親鋰表面最大化,而較大的孔隙體積為CF顆粒內(nèi)鋰的體積變化提供了足夠的空間。應注意,負極中應避免極高的表面積,因為在初始充電/放電過程中,它將消耗更多的容量來形成SEI。CF的表面積仍然是可接受的(18.5對比60m2/g典型炭黑),與CS相比,其初始CE沒有明顯降低(圖S3)。第三,由于鋰金屬對CF結(jié)構(gòu)的限制,在有限的鋰體積變化下,SEI損傷最小。

3.

電化學性能圖4

(a)CF和CS中的離子擴散路徑示意圖;(b)PITT法測定CF和CS的鋰離子擴散系數(shù);(c)Li||CF和Li||CS半電池的倍率性能;(d)Li||CF和Li||CS半電池在2mA/cm2下的循環(huán)性能;(e)Li||CF半電池和(f)Li||CS半電池在不同電流密度(1-15mA/cm2)下的電壓分布圖;(g)Li||CF和Li||CS半電池在12mA/cm2下的循環(huán)性能。

此外,開孔結(jié)構(gòu)可以提供更快的離子擴散途徑。與CS微球相比,CF的開孔結(jié)構(gòu)賦予了其更短的離子擴散路徑,如圖4a所示。這與靜電位間歇滴定技術(shù)(PITT)測量的Li+擴散常數(shù)的結(jié)果一致(圖4b)。在鋰離子插層電壓窗口(0-1Vvs.Li/Li+)下,CF的Li+擴散常數(shù)幾乎比CS高一個數(shù)量級。因此,CF的開孔結(jié)構(gòu)有望有利于快速充電。在充電(鋰化)過程中施加增量電流密度(1?20mA/cm2,每5次循環(huán)1mA/cm2),放電(脫鋰化)電流控制為1mA/cm2(圖4c)。Li||CF半電池的面積容量主要因為CF電極材料上的嵌Li/鍍Li行為。Li||CF半電池在碳酸鹽電解質(zhì)LP57/FEC中顯示高CE(>99.5%)。如此高的CE可維持在~16mA/cm2,在此以上CE略有下降。另外,當充電電流從20mA下降到1mA/cm2時,電池可以恢復到原來的高CE(圖4c)。在低電流密度下,CS也表現(xiàn)出較高的CE(圖4c)。然而,隨著充電電流的增加,CEs迅速下降,電池在~16mA/cm2時短路。圖4e,f顯示了與圖4c對應的電壓曲線。CF在不同的電流密度下沒有明顯的成核過電位。同時,當充電電流從1mA/cm2增加到15mA/cm2時,在電壓>0Vvs.Li+/Li下的插入容量從428mAh/g緩慢下降到231mAh/g。相反,在高電流密度下,CS表現(xiàn)出明顯的成核過電位峰。在電壓>0Vvs.Li/Li+時,CS的插層容量也從377衰減到43mAh/g(圖4f)。圖4d,g分別顯示了Li||CF和Li||CS半電池在2mA/cm2和12mA/cm2下的恒流循環(huán)。當充電電流為2mA/cm2時,CF和CS在充電開始時均表現(xiàn)出較高的CE(>99%)。然而,CS的CE隨著循環(huán)的增加迅速衰減。而CF電極在高電流密度(12mA/cm2)下,仍然保持~99%的CE。

圖5

CF||NMC811和Gr||NMC811的全電池性能;(a)在1mA/cm2充電電流和1mA/cm2放電電流下的放電容量;(b)在10mA/cm2充電電流和1mA/cm2放電電流下的放電容量;(c)在10mA/cm2充電電流和10mA/cm2放電電流下的放電容量;(d)負極材料在1mA/cm2充電電流和1mA/cm2放電電流下的比容量;(e)負極材料在10mA/cm2充電電流和1mA/cm2放電電流下的比容量。

作者進一步分別匹配了CF/Gr電極與商用NMC811正極的全電池,并且以恒定電流放電到<1.8V(CF||NMC811)和<2.6V(Gr||NMC811)。在相對較低的電流密度下,Gr||NMC811電池比CF||NMC811電池表現(xiàn)出更好的容量保留(圖5a)。然而,由于鋰電鍍行為,CF比Gr電極具有更高的比容量(圖5d)。盡管容量保留率較低,但在前200個周期中,與Gr電極相比,CF電極仍顯示出約2倍的比容量。當施加10mA/cm2充電和1mA/cm2放電電流時,Gr||NMC811的容量保留率下降(圖5b),而CF||NMC811與低電流情況相比具有相似的循環(huán)穩(wěn)定性。同樣,由于鋰電鍍行為的貢獻,與Gr電極相比,CF具有2倍的比容量(圖5e)。當充放電電流均為10mA/cm2時,Gr||NMC811電極的容量衰減較快,20

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