97干婷婷,国产乱女乱子视频在线播放,色婷婷久久综合丁香五月狠狠野花

繼上周Nature Energy后，崔屹教授再發新作！聚焦無枝晶生長的負極設計

成果簡介

以鋰（Li）金屬作為負極的高能量密度電池是下一代極具發展前途的電池，但金屬鋰的內在問題，特別是枝晶的生長，阻礙了其實際應用。在此，美國斯坦福大學崔屹教授和鄭雪莉等人聚焦分子組合結構設計來開發無具有無枝晶生長的負極結構。具體來說，利用氫取代石墨炔（HGDY）氣凝膠作為宿主材料，成功地制備了一種極具發展前途的鋰金屬復合負極（Li@HGDY）。其中，HGDY氣凝膠的親鋰性和分層孔隙驅動了熔融鋰的注入，并降低了三維HGDY宿主內的局部電流密度，且HGDY獨特的分子結構為鋰離子輸運提供了良好的體途徑。通過同時調節HGDY結構內的電子和離子輸運，實現了均勻的鋰沉積/剝離。結果顯示，Li@HGDY對稱電池表現出低過電位和優異的循環穩定性。Li@HGDY||磷酸鐵鋰（LFP）全電池在0.4C下進行170次循環后保持了98.1%的容量保持率，本研究為設計高容量和持久的鋰金屬負極提供了新的思路。

相關文章以“Lithiophilic Hydrogen-Substituted Graphdiyne Aerogels with Ionically Conductive Channels for High-Performance Lithium Metal Batteries”為題發表在Nano Letters上。

研究背景

電動汽車和便攜式電子設備日益增長的能源存儲市場不斷發展，使可充電電池能源密度更高、價格更便宜、安全性也更高。其中，鋰（Li）金屬具有更高的能量密度，比石墨（372 mAh/g）、鈉（1166 mAh/g）、鉀（687 mAh/ g）和鋁（993 mAh/g）更受關注。然而，鋰金屬電池的實際應用遇到了重大的障礙，包括鋰枝晶的形成、循環過程中無限體積變化以及不穩定的固體電解質中間相（SEI）。為了解決這些挑戰，已經開發了廣泛的策略，包括電解液工程，鈍化鋰金屬負極和設計納米結構的鋰宿主結構。由電解液工程和Li鈍化工程構建的界面SEI層缺乏必要的機械強度和穩定性來有效抑制Li枝晶的生長，特別是當電極發生體積突變時。因此，具有人工宿主的納米結構鋰復合電極在構建高容量、長壽命的鋰金屬負極方面具有很大的前景。

圖文導讀

Li@ HGDY的合成與表征

Li@HGDY復合電極制備分三個步驟：合成HGDY氣凝膠，在400℃下激發HGDY氣凝膠，并將熔融的Li注入激發的HGDY氣凝膠（圖1）。首先，以1,3,5-三乙基苯為單體，氯化銅(I)為催化劑，通過Glaser偶聯反應合成具有亞埃級離子通道的HGDY氣凝膠，然后冷凍干燥（圖1a）。其中，HGDY氣凝膠保持了一個具有分層孔隙和超高表面積的三維結構（圖1b）。隨后，將HGDY氣凝膠部分放置在400℃的加熱板上，在充滿氬的手套箱中，引發火花反應，立即將氣凝膠膨脹成更多孔的結構（圖1c）。激發的HGDY氣凝膠中的分層孔隙增強了毛細管力，驅動熔融鋰注入。最后，將氣凝膠的邊緣放入400℃的鋰熔液中，均勻地自動注入經過處理后的HGDY氣凝膠中（圖1d）。

圖1. Li@HGDY氣凝膠負極的制備

原始的HGDY氣凝膠呈咖啡色，直徑為25毫米（圖2a）。在400℃下激發后，混合物變成了一個黑色的、更多孔的結構（圖2d）。原始的HGDY氣凝膠顯示了一個具有微孔、介孔、中孔和大孔的分層多孔結構（圖2b，c）。激發后的HGDY氣凝膠顯示多孔且導電性顯著增加（圖2e，f），被激發的HGDY的透射電鏡圖像顯示了一個微孔結構。這些增強的分層孔隙增強了毛細管力，以便進一步注入鋰。同時，高分辨率的C s XPS證實了苯環（284.5 eV）和炔基（285.3 eV）基團的存在，這表明了HGDY氣凝膠的成功合成（圖2j）。此外，高分辨率C 1s XPS在HGDY氣凝膠中比在原始HGDY氣凝膠中顯示出更多的C=C鍵，這進一步證實了引發反應是由某些乙酰鍵裂解引起的。

圖2.?Li@HGDY負極的表征

在HGDY結構中優異的鋰沉積/剝離行為

作者以Li@HGDY和Li箔作為電極，使用CR2032扣電組裝了對稱電池，并探索了Li沉積/剝離過程。對于普通的Li箔對稱電池，不均勻的Li成核和沉積導致了Li樹枝狀枝晶的生長（圖3a），鋰枝晶生長的不穩定性降低了鋰金屬電池在反復循環中的循環，并導致嚴重的安全問題。在電流密度為2 mA/cm²的情況下，進行50次循環的恒流沉積和剝離后，可以清楚地觀察到裂紋和鋰枝晶（圖3b，c）。相比之下，對于Li@HGDY對稱電池，在HGDY網絡的幫助下實現了均勻的Li成核和生長，抑制了Li枝晶的形成（圖3d）。具有超高表面積的分層多孔HGDY氣凝膠有效地降低了局部電流密度。此外，HGDY的獨特的結構提供了鋰離子傳輸通道，有效地均質化鋰離子分布，并激活微孔HGDY中嵌入的Li。

圖3.?在HGDY結構中實現了良好的鋰沉積/剝離行為

電化學循環性能測試

作者組裝了對稱電池，并進行了恒流剝離/沉積，以比較Li@HGDY氣凝膠鋰箔在碳酸鹽電解液中的循環能力。圖4a顯示了Li@HGDY氣凝膠和Li箔對稱電池在固定電流密度為1 mA/cm²、容量為1 mAh/cm²下300次循環的循環性能。Li@HGDY氣凝膠對稱電池顯示穩定的電壓分布，而Li箔對稱電池在100次循環中顯示電壓逐漸增加，在100次循環后幾乎失效。圖4b顯示了Li@HGDY氣凝膠和Li箔對稱電池在較高電流密度為2 mA/cm²下進行300次循環的電壓曲線，觀察到Li@HGDY氣凝膠和Li箔對稱電池在過電位和循環穩定性方面的差異越來越明顯，普通Li箔電極在2/mA cm²時顯示出200 mV的過電位。值得注意的是，Li@HGDY氣凝膠的沉積/剝離過電位僅為88 mV，并在300個循環中保持穩定。

圖4.?Li@HGDY和Li箔電極的對稱電池循環性能

為了進一步展示Li@ HGDY氣凝膠在碳酸酯電解液中的優越性能，作者使用磷酸鐵鋰（LFP）作為正極構建了全電池。在整個循環過程中，使用Li@HGDY氣凝膠負極的全電池比以Li箔為負極的電池具有更好的性能（圖5）。在0.4 C的倍率下，Li@HGDY||LFP電池顯示出優異的循環壽命，該電池仍表現出優異的性能，經過170個循環后保持了98.1%的容量。相比之下，Li||LFP箔電池在117個循環后顯示出75.9%的容量保持率（圖5a）。Li@ HGDY||LFP全電池在150個循環內的平均庫侖效率為99.86%。值得注意的是，在第117次循環中，Li@ HGDY||LFP電池提供的容量為142 mAh/g，而Li|| LFP全電池容量為100mAh/g（圖5b）。這些改進的Li@HGDY||LFP全電池的循環穩定性歸因于在HGDY框架內均勻和無枝晶的鋰沉積。

圖5.?全電池循環性能

總結展望

綜上所述，本文報道了一種極具前途的鋰金屬復合負極（Li@ HGDY），其使用親鋰的HGDY氣凝膠作為穩定的鋰金屬宿主結構。其中，以1,3,5-三乙基苯為單體，通過Glaser偶聯反應合成了親鋰性HGDY氣凝膠，然后在400℃下冷凍干燥HGDY氣凝膠，其HGDY氣凝膠中的分層孔隙驅動熔融鋰的有效注入。結果顯示，HGDY分子結構中的亞埃微孔為鋰離子的輸運提供了足夠的離子通道，且得益于HGDY氣凝膠的獨特結構及其離子導電特性，在Li@ HGDY對稱電池中實現了良好的鋰沉積/剝離性質。因此，由于局部電流密度降低，鋰離子的擴散和輸運得到均勻化，實現了一個無枝晶的復合負極。值得注意的是，Li@HGDY對稱電池表現出平坦的電壓曲線和300次的循環穩定性。當與磷酸鐵鋰（LFP）正極匹配時，Li@HGDY||LFP全電池顯示出170次的穩定循環，且容量衰減可以忽略不計（1.9%）。

文獻信息

Xin Gao,# Xueli Zheng,*,# Yusheng Ye,# Hiang Kwee Lee, Pu Zhang, Andy Cui, Xin Xiao, Yufei Yang, and Yi Cui*,?Lithiophilic Hydrogen-Substituted Graphdiyne Aerogels with Ionically Conductive Channels for High-Performance Lithium Metal Batteries,?Nano Letters. (2024).

原創文章，作者：計算搬磚工程師，如若轉載，請注明來源華算科技，注明出處：http://www.zzhhcy.com/index.php/2024/04/20/ddb1baafce/

末成年小嫩xb,嫰bbb槡bbbb槡bbbb,免费无人区码卡密,成全高清mv电影免费观看

繼上周Nature Energy后，崔屹教授再發新作！聚焦無枝晶生長的負極設計

相關推薦