研究人员使用海胆状碳球作为3D锂宿主 以抑制枝晶生长

最新更新时间:2022-05-24来源: 盖世汽车 手机看文章 扫描二维码
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据外媒报道,最近,在《ACS应用能源材料》(ACS Applied Energy Materials)杂志上发表的一篇文章中,韩国科学技术院(Korea Advanced Institute of Science and Technology)等机构的研究人员讨论了将具有锥形孔的海胆状分层碳球作为三维(3D)锂宿主来抑制枝晶。


研究人员使用海胆状碳球作为3D锂宿主 以抑制枝晶生长

(图片来源:KAIST)


背景


可充电电池具有高能量密度,需求量很高。长期以来,金属锂一直被视为一种理想的负极材料,因其具有极高的能量密度,并且还原电位最低。尽管如此,实际应用时仍存在阻碍。


目前,克服锂金属电池商业应用障碍的方法有三种:机械控制、界面控制和宿主材料设计。由于吸附能稳定、Li+通量易于控制,关于锂宿主材料的合理设计备受关注。具有3D结构架构的锂宿主颇有前景。


碳质材料(石墨烯、碳纳米纤维、还原石墨烯氧化物和碳纳米管等)具有良好的化学稳定性、导电性和机械强度,是最受欢迎的锂宿主载体。此外,改变这些材料的表面和结构以提高亲油性,可以大大降低锂沉积过程中产生的过电位。


关于这项研究


在这项研究中,研究人员提出开发一种具有锥形孔结构的海胆状分层碳球(SUHCP)。该碳球可作为三维锂宿主,以抑制枝晶生长。这种分层3D多孔结构可以有效地容纳锂,同时避免体积增加。


该团队开发了一种独特的3D多孔碳结构。该结构具有分层和锥形孔,可作为无枝晶锂金属电池的锂宿主。不同于以往的碳结构,这种碳结构可用于从孔隙内部均匀地容纳锂。采用锥形孔结构中的谷状构造,可使Li+通量均匀分布,并降低电荷浓度。这进一步抑制了锂枝晶的形成,从而改善电池性能,并实现高倍率能力和长循环寿命。


观察


Cu、HC和SU-HCP的成核电压分别为 -66、 -50和 -43 mV。拉曼光谱在1350和1600 cm-1处有两个明显的D和G带峰,分别对应无定形碳层和有序石墨层。其比表面积(SBET)为985.1 m2 g-1,BET的孔容积为 0.9194 cm3 g-1。HC的SBET为278.9 m2 g-1,孔容积为0.0263 cm3 g-1。


与HC和裸铜箔相比,SU-HCP在高电流密度(5.0 mA cm-2、2.0 mA cm-2和1.0 mA cm-2)下表现出更高的循环稳定性。经过100次循环,Li/SU-HCP电芯的库仑效率(CE)值分别为92%和87%,而Li/HC电芯和Li/裸铜箔电芯表现不佳。


在0.5 mA cm-2的电流密度下,Li/SU-HCP电芯表现出更好的循环稳定性,经过250次循环后库仑效率达到95%。而Li/裸铜箔电芯和Li/HC电芯分别在90和130次循环后快速降解。


与之前报道的3D多孔碳结构相比,电子显微图像和电池性能研究结果表明,锥形孔结构中的多个谷状构造,有助于更好的容纳锂。作为均匀分布的电荷中心,孔隙中心促进了锂沉积。


内部成核会影响锂的生长。在0.5 mA cm-2的电流密度下,该碳载体架构的长期循环寿命超过250次,当电流密度达到5 mA cm-2时,动力学性能得到改善,可以显著抑制状锂枝晶生长,从而提高电池性能。


结论


综上所述,本研究探讨了利用铜作为锂金属电池负极基板,开发一种海胆状的分层锥形孔结构。在Li/Cu电芯测试中,该基板表现出优异的电化学性能,即使在电流密度值为0.5 mA cm-2的情况下,经过循环250次后,也具有良好的库伦效率和循环稳定性。


通过透射电子显微镜(TEM)和扫描电子显微镜(SEM)可以看出,这种独特的针间3D锥形孔结构,具有很大的表面积。该结构对于实现一致的Li+通量沉积和分布,以及作为高密度Li沉积的电荷中心,具有重要意义。


研究人员指出,SU-HCP的这种良好特性,使Li能够均匀沉积,而不产生锂枝晶,从而实现非常稳定的循环性能。另外,在开发高性能锂金属电池时使用3D材料,有助于深入了解负极基板设计。


编辑:鲁迪 引用地址:http://news.eeworld.com.cn/qcdz/ic591174.html

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