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德州農(nóng)工大學(xué)AFM: 多孔碳納米管支架MOF層的鍍鋰調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)大累積容量

鋰金屬的高比容量是滿足當(dāng)前可充電電池需求的理想選擇，但鋰枝晶和不可逆的體積膨脹是應(yīng)用的主要障礙。

3D鋰主體材料可以通過大表面積降低電流密度并在其孔隙中容納鋰金屬來緩解這些問題。然而，由于鋰離子通過曲折孔擴(kuò)散緩慢導(dǎo)致鋰枝晶堵塞，從而導(dǎo)致枝晶生長，因此持續(xù)觀察到鋰枝晶。

在此，美國德克薩斯農(nóng)工大學(xué)Choongho Yu博士等人將MOF層涂覆在化學(xué)處理的碳納米管支架（C-CNT）整個外表面（LM-CNT）或支架中的單個碳納米管（IM-CNT）上，通過在動態(tài)現(xiàn)場原位（operando）條件下直接可視化電池和在掃描電鏡下對碳納米管電極橫截面的非原位觀察研究其鍍鋰行為。

CNT支架外側(cè)的MOF層增加了多孔支架中鋰的嵌入（8 mA cm^-2時為24 mAh cm^-2）和鋰電鍍/剝離壽命（保持20 mAh cm^-2循環(huán)1700 h以上）。

圖1. 基于LM-CNT、C-CNT、IM-CNT電極電池的operando觀察

MOF具有足夠大的孔以供鋰離子滲透，其電絕緣特性會產(chǎn)生電容效應(yīng)，將鋰離子分布在MOF層的表面，以避免在鍍鋰過程中出現(xiàn)枝晶生長和堵塞。

因此，LM-CNT負(fù)極具有出色的體積和重量容量（≈940 mAh cm^-3和≈980 mAh g^-1）以及出色的累積容量（≈4.9 Ah cm^-2）。這種有前途的方法可以在存儲鋰時無枝晶，以提供當(dāng)前可充電電池所需的高能量密度。

圖2. LM-CNT電極的橫截面SEM圖像及電化學(xué)性能

Large Cumulative Capacity Enabled by Regulating Lithium Plating with Metal-Organic Framework Layers on Porous Carbon Nanotube Scaffolds. Advanced Functional Materials 2021. DOI: 10.1002/adfm.202104899

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