【锂金属电池中间层】超长锯齿状氟化锂纳米纤维，抑制枝晶、提高性能｜NSR
中国科学杂志社

2022-12-19 14:47:17
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锂金属电池（锂硫电池、三元锂电池等）是最具潜力的下一代高能量储能电池体系，然而锂枝晶的不可控生长和较高的沉积/溶解过电位导致锂金属电池的循环寿命和倍率性能仍无法满足市场要求。更重要的是，锂枝晶很容易刺穿隔膜，导致电池短路、热失控，最终起火甚至爆炸。这些难题极大地阻碍了锂金属电池的未来商业化应用。

近日，武汉理工大学麦立强教授、安琴友研究员等人报道了一种由超长锯齿状氟化锂纳米纤维编织的锂金属电池中间层，可明显改善金属锂的沉积溶解行为，抑制锂枝晶生长，大幅提升了高负载锂电池在高面积电流密度下的循环寿命和安全性。该工作发表于《国家科学评论》（National Science Review，NSR）。谭双双为本文第一作者。

纳米纤维的制备与表征

研究者利用冷冻干燥法，制备了毫米级锯齿状的单晶氟化锂纳米纤维材料（LiF-NFs）。电镜表征、X射线衍射及不同生长阶段的形貌表征证明，冰的升华可以诱导LiF-NFs沿

方向结晶生长。

锯齿状LiF-NFs的（a-c）SEM图，插图为光学图，（d，e）TEM图和（f）SAED图。（g-i）锯齿状LiF-NFs的原子排列模型。（j）LiF-NFs和LiF颗粒的XRD谱。（k）锯齿状LiF-NFs的生长机理示意图。

锂金属电池中间层的制备与表征

进一步，研究者通过抽滤法制备了厚度可调的LiF-NFs薄膜（LiF-NFs-IL），该薄膜可用作锂金属电池中间层。

原位光学显微镜观察显示，在锂金属表面覆盖LiF-NFs-IL后，锂金属发生均匀并致密的锂沉积行为，可避免锂枝晶的生长。

（a）裸露Li金属表面和（b）覆盖有LiF-NFs-IL的锂金属表面的锂沉积行为。

SEI表征显示，LiF-NFs-IL的引入导致了 “富LiF-NFs”SEI膜结构的形成。在常规的有机/无机双层SEI膜中，锂离子的传输路径主要为有机/无机组分界面和无机颗粒之间的晶界，因此锂离子传输路径曲折、不连续，将导致锂离子传输动力学较慢。在“富LiF-NFs”SEI膜中，超长的LiF-NFs与其他有机、无机成分复合，可提供超长、连续的锂离子传输路径，提高动力学性能。

（a-d）“富LiF-NFs”SEI膜的XPS F 1s和C 1s 深度光谱，（e，f）TOF-SIMS深度曲线和3D渲染模型。（g，h）EIS图。SEI膜示意图：普通SEI（i）和“富LiF-NFs”SEI（j）

电池性能

实验显示，在高负载Li//rGO-S电池（硫负载量：10.7 mg cm-2）中引入LiF-NFs-IL，可以有效降低电池过电势并提高比容量，此外Li//rGO-S电池的倍率性能（17.9 mA cm-2电流密度下为528 mAh g-1）和大电流（17.9 mA cm-2）下的循环寿命（400次）也大幅提升。

这是因为在高电流密度下，锂金属的沉积溶解过电势太大，并极易形成锂枝晶导致电池短路。而引入LiF-NFs-IL后可以有效降低过电势并避免枝晶形成，有效改善了高负载Li//rGO-S电池的倍率性能及循环寿命。

高负载Li//rGO-S电池的电化学性能

此外，该LiF-NFs-IL也可以拓展应用于高负载Li//NCM电池，并提升其电化学性能。

高负载Li//NCM电池的电化学性能

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