鋰金屬的高比容量是滿足可充電電池當(dāng)前需求的理想選擇，但鋰枝晶的不可控生長和不可逆的體積膨脹是其應(yīng)用面臨的主要挑戰(zhàn)。3D鋰主體材料可以通過降低大表面積的電流密度并在其孔中容納鋰金屬來緩解這些問題。然而，由于鋰離子通過曲折的孔擴(kuò)散緩慢，鋰枝晶持續(xù)形成，導(dǎo)致堵塞，從而導(dǎo)致不可控的枝晶生長。在此，研究者們在碳納米管（CNTs）支架的外表面或支架內(nèi)單個CNT的外表面通過配位鍵沉積的方式涂覆了MOF膜（LM-CNT），通過在Operando電池中的直接觀察和在SEM下對CNT電極橫截面的非原位觀察，研究了LM-CNT的鍍鋰行為。LM-CNT的MOF層促進(jìn)了鋰向集電器的深部插入/沉積，沒有明顯的枝晶生長，直到24 mAh cm
-2（電流密度為8 mA cm
-2）的容量，增加了鋰電鍍/剝離壽命（超過1700 h，20mAh cm
-2），優(yōu)于化學(xué)處理的CNT（C-CNT）（10 mAh cm
-2）和在單個CNT的所有表面覆蓋MOF（IM-CNT）（4 mAh cm
-2）。MOF具有足夠大的孔以供鋰離子滲透，其電子絕緣特性會產(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。獲得了優(yōu)異的體積和重量容量（≈940 mAh cm
-3和≈980 mAh g
-1）以及優(yōu)異的累積容量（≈4.9 Ah cm-2）。這種策略，可以避免多孔電極中Li枝晶的形成和堵塞，這對于開發(fā)需要高電流密度和高容量的高能量密度可充電鋰電池至關(guān)重要。
Figure 1. （a）MOF涂覆沉積在化學(xué)處理的CNT (C-CNT)上和（b）MOF涂覆沉積在CNT的外表面 (LM-CNT) 和（c）MOF涂覆沉積在單CNT的所有表面(IM-CNT)的制備過程的示意圖。 （d）原始CNT (P-CNT)的FTIR光譜（藍(lán)線），C-CNT（黑線）和LM-CNT（紅線）。（e）C-CNT，（f）IM-CNT，（g）LM-CNT的中間層，（h）LM-CNT的外表面以及（i）鋰化后LM-CNT外表面的SEM圖
Figure 2. 在電流密度為8 mA cm
−2下，鋰被鍍到（a）LM-CNT，（b）C-CNT和（c）IM-CNT時，Operando電池和相應(yīng)的面積容量。（d）鍍鋰過程中LM-CNT(紅線)、C-CNT(黑線)和IM-CNT(紫線)的電壓分布。插圖顯示了前3 mAh cm
−2期間的電壓分布。
Figure 3.（a-d）LM-CNT、（e-g）C-CNT和（h-j）IM-CNT橫截面的SEM圖，在圖像中，鋰的插入方向是從右(鋰金屬和隔膜側(cè))到左(集電體)。（k）鋰嵌入LM-CNT、C-CNT 和IM-CNT中的過程示意圖。紫色、青色和黑色表示MOF、鋰和碳。
Figure 4. （a）阻抗圖和模擬等效電路圖以及相應(yīng)的插圖，（b，d）LM-CNT，（c,e）C-CNT
Figure 5. 紐扣電池中LM-CNT電極在20 mAh cm-
2（a）鍍鋰和（b）剝離后的橫截面 SEM圖。（c）LM-CNT|Li在初始330小時（下圖）為2.5-20 mA cm
-2的電壓曲線，其余1760小時為5 mA cm
-2，以及20 mAh cm
-2鋰電鍍/剝離的庫倫效率（上插圖）。（d）LM-CNT|Li和文獻(xiàn)中的那些（由碳質(zhì)材料和金屬制成的有或沒有涂層的支架，具有陶瓷或聚合物涂層的鋰金屬）每個循環(huán)的累積容量與電鍍?nèi)萘?。（e）LM-CNT在鋰鍍到20 mAh cm-
2時的重量和體積容量，以及當(dāng)它們完全鋰化時傳統(tǒng)石墨電極的重量和體積容量。（f）由鍍鋰LM-CNT陽極(10 mAh cm
-2)和硫負(fù)載的面積為5 mg cm
-2 的硫陰極制成的Li-S電池的比容量、面積容量和庫倫效率與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系，它可以提供≈5 mAh cm
-2的面積容量（N/P比≈2）。
相關(guān)研究成果由美國德州農(nóng)工大學(xué)Choongho Yu課題組于2021年發(fā)表在《ADVANCED FUNCTIONAL MARERIALS》（https://doi.org/10.1002/adfm.202104899）上，原文：Large Cumulative Capacity Enabled by Regulating Lithium Plating with Metal–Organic Framework Layers on Porous Carbon Nanotube Scaffolds。
轉(zhuǎn)自《石墨烯雜志》公眾號
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