1成果简介
锂金属电池的商业化受限于无法控制的锂枝晶生长，导致短路和容量衰减。碳纳米纤维（CNFs）作为三维锂金属宿主材料被用于降低局部电流密度，但其固有的抗锂性阻碍了均匀的锂沉积。本文，韩国高丽大学Jung-Kul Lee、Yun Chan Kang等研究人员在《Carbon》期刊发表名为“Structural and surface-modified freestanding carbon nanofiber hosts for high-performance lithium-metal batteries”的论文，研究通过电纺丝与电子束蒸发技术，报道了一种表面修饰ZnO并覆有SnO₂的自支撑三维CNF支架。嵌入的ZnO颗粒作为亲锂成核位点，引导锂离子在整个结构中均匀沉积。同时，SnO₂表面层经锂化反应形成Li–Sn合金与Li₂O，增强界面电荷转移并抑制枝晶生长。
值得注意的是，SnO₂涂层在支架上诱导垂直电子导电梯度，有效抑制顶部表面锂沉积，促进内部稳定沉积。得益于这种结构与梯度表面改性，该工程化电极在1.0 mA cm⁻²条件下实现260次循环的库仑效率达97%。在5.0 mAh cm⁻²的高锂负载密度下，对称电池仍能保持低于30 mV的过电位超过900小时。与磷酸铁锂电池组成的全电池在1.0C倍率下经180次循环后仍保持91.2%的容量保持率，展现出卓越的循环稳定性。该策略为开发安全高效的锂金属电池提供了前景广阔的途径。
2图文导读
图1. Fabrication process of the SCZ sheet.
图2. Graphical illustration of Li deposition on (a) CNF, (b) S–CNF, (c) CNF@ZnO, and (d) SCZ electrode.
图3. SEM and EDS-mapping images of (a) SCZ, (b) S–CNF, (c) CNF@ZnO, and (d) CNF sheet.
图4. Coulombic efficiencies of CNF, S–CNF, CNF@ZnO, and SCZ sheet, when cycled at different current densities with a cycling capacity of 1.0 mAh cm−2: (a) 1.0, (b) 2.0, and (c) 5.0 mA cm−2.
图5. Symmetrical cell test of SCZ and CNF sheet after Li deposition 5.0 mAh cm−2: (a) Voltage-time profiles at the current density of 1.0 mA cm−2 with a capacity of 1.0 mAh cm−2, and (b) rate performances at current densities from 0.5 to 10.0 mA cm−2 with fixed capacity of 1.0 mAh cm−2.
图6. Full cell test of SCZ and CNF sheet after Li deposition 5.0 mAh cm−2 at 2.0 mA cm−2: (a) cycling stability at 1.0C, and (b) rate capability at various current densities from 0.1 to 7.0C, and charge-discharge profiles of (c) SCZ and (d) CNF at various current densities.
3小结
本研究通过在碳纳米纤维支架上修饰亲锂性ZnO，并采用电子束蒸发法沉积SnO₂层，成功构建了梯度修饰的三维锂金属宿主材料。ZnO的引入提供了成核位点，促进了锂的均匀沉积，从而实现了多孔三维结构的高效利用。同时，锂化电极的XPS分析证实SnO₂层发生锂化反应，形成Li–Sn合金与Li₂O，这不仅增强了电荷转移效率，更形成保护层抑制枝晶生长。SnO₂表层的锂化作用在支架上形成了垂直导电梯度，使顶部区域导电性低于底部，从而诱导出有利的电位分布。该梯度有效抑制顶面锂沉积，促进内部均匀镀锂并减轻表面沉积。梯度改性使电极在1.0 mA cm⁻²电流密度下实现260次循环中97%以上的电荷转移效率，且在增大电流密度时仍保持稳定循环性能，彰显其长期稳定性。在对称电池中，当锂沉积量为5.0 mAh cm−2时，低电压滞后（30 mV）持续超过900小时，表明锂沉积与剥离行为稳定。与LFP电池组成的全电池展现出更优的循环稳定性和倍率性能，证实所设计的支架能有效促进锂晶核形成与沉积均匀性，同时抑制树枝状晶体生长。这些发现为开发高性能锂金属电池提供了极具前景的策略。
文献:
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