鋰金屬因其高容量 (3860 mAhg-1) 和相關的低充電電壓而被認為是下一代鋰二次電池陽極的最終選擇。 然而,鋰的電沉積溶劑化往往是非平面的,具有金屬枝晶、金屬空隙和不穩定的固態電解質相 (SEI)。
這裡德克薩斯大學的D**id Mitin和四川大學的劉偉外壓與10 MPa、固體電解質介面(SEI)結構形貌和鋰金屬沉積剝離行為的相關性。為了模擬無陽極鋰金屬電池 (AF-LMB),使用了商用碳酸鹽電解質"空"對銅集流體進行了分析。 較低的壓力促進了富含有機物的SEI和巨集觀上不均勻的絲狀鋰礦床,這些鋰礦床散布在孔隙中。 更高的壓力促進富含 F 的無機 SEI,從而產生更均勻和緻密的鋰膜。
在 1 mPa 壓力下具有出色的電化學效能:其半電池的容量為 1 mA cm-2 -3 mAh cm-2 (175 m沉積剝離)在300小時(50次迴圈)後保持穩定,迴圈庫侖效率(CE)為998%。在C5充電和C2放電(1C = 178 mA g-1)的條件下,具有高負載NMC622陰極(21 mg cm-2)的AF-LMB電池迴圈200次,CE為99。4%。
圖1DFT 計算
綜上所述,本工作使用一層直接塗覆在集流體上的原生石墨烯(pg@cu)來證明增強的金屬潤濕性能可以直接取代更高的壓力來穩定鋰的電沉積剝離行為。 研究表明,石墨烯層可以在1 MPa下實現無極鋰金屬電池(AF-LMB)的穩定電沉積剝離。 PG 層和 1 MPa 低電壓之間的協同作用使鋰能夠在整個長週期內平面沉積,從而使半電池的庫侖效率 (CE) 為 998%,並實現了大容量負載下整個電池的穩定迴圈。
此外,密度泛函理論(DFT)揭示了溶劑化Li+在Cu(100)、(110)和(111)不同晶面上的吸附能與石墨烯鋰化脫鋰的吸附能之間的差異,從而揭示了載體表面能在促進SEI非均質性中的作用。
圖2電池效能
interrelation between external pressure, sei structure, and electrodeposit morphology in an anode-free lithium metal battery,advanced energy materials2023 doi: 10.1002/aenm.202302261