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王鸣生课题组在碳基锂金属负极材料领域取得系列进展
发布时间: 2021-12-29
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近日,我院王鸣生教授课题组借助原位透射电镜技术,以无定形碳纳米管作为宿主模型,探究了锂金属在一维封闭空间内的封装机理和限域生长动力学,并发现了一些锂的特殊形态,如二维锂晶体。该工作为研究限域环境中锂金属的特性提供了重要实验依据,对于设计安全高效的锂金属负极也十分关键。研究发现:(1) 碳质胶囊的双重作用(即同时提供了几何/机械的约束以及电子/离子的通道)深刻地改变了锂金属的生长模式,由自由空间里的根部生长转变为限域空间中的顶端生长。锂离子沿着电场方向经由碳管管壁进行扩散并在锂晶体的生长前沿加入或去除,其生长前沿始终为{110}{200}这两种低能量面。(2) 这种限域生长模式导致出现了一些特殊形态的锂晶体,如多晶锂纳米线以及悬空二维锂单晶。二维锂是通过锂单晶在碳管内溶出时厚度不断减薄所致,最小可达1-2纳米(理论上可以更低至单原子层,若存在将是已知最轻的单原子层材料)。(3)经过对比实验发现,充分的氮、氧掺杂或预锂化可以大大提升碳管的亲锂性(热力学)及锂离子渗透性(动力学),从而显著提高锂金属在碳管中沉积的几率。理论计算表明锂金属在类似于毛细作用的驱动下进入封闭空腔(即封装),以低能量的锂/碳界面替代高能量的锂金属自由表面。

相关工作以”Mechanistic Probing of Encapsulation and Confined Growth of Lithium Crystals in Carbonaceous Nanotubes"为题发表于Advanced Materials,并被选为封面论文。王鸣生课题组硕士生韦平和博士生程勇为该论文的共同第一作者,王鸣生教授为通讯作者。


另外,王鸣生课题组还巧妙地设计了“碗”状碳胶囊(由中空碳球塌陷而成),其具有不同正负曲率的外表面,同时拥有全封闭的内空腔和半封闭凹陷空间,通过构建原位透射/扫描电镜实验直观地研究锂金属在该材料上的沉积/溶解行为。观察表明,锂金属会优先沉积在碳碗的负曲率(凹)面,而非正曲率面(凸)上;全封闭空间相对于半封闭空间更有利于沉积。基于密度泛函理论(DFT)的计算表明,该几何选择性沉积的驱动力来源于体系能量最小化,及锂金属倾向于碳基底形成最大面积的低能的锂/碳界面,而减少暴露高能的Li活性表面。这些发现为设计高效的集流体和无枝晶的碱金属负极打开了一个全新的几何视角,而非通常的(亲锂)化学视角,还可以扩展到其他类似的碱金属体系(特别是对全固态电池)。该成果以"Lithium Storage in Bowl-like Carbon: The Effect of Surface Curvature and Space on Li Metal Deposition"发表于ACS Energy Letters,并被选为封面论文。课题组博士生叶伟彬为本文第一作者,王鸣生教授为通讯作者。


详见王鸣生教授课题组网站http://mswang.xmu.edu.cn


Advanced Materials论文、封面及媒体报道链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202105228

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202170407

管中窥锂——碳管中锂金属的封装机制、限域生长及二维锂晶体


ACS Energy Letters论文、封面及媒体报道链接:

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsenergylett.1c00456

https://pubs.acs.org/toc/aelccp/6/6

锂金属快到“碗”里来-原位电镜揭示材料表面曲率和空间几何对金属锂沉积行为的影响




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