韩晓鹏教授，最新AFM：海胆状Ag@CuO异质复合材料双梯度化设计构筑高性能锂金属电池

锂电联盟会长 2024-04-03 11:50 907浏览 0评论 0点赞

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文章信息

高性能锂金属阳极的海胆状银@氧化铜异质结构双梯度化工程设计

第一作者：高梦

通讯作者：韩晓鹏*

研究背景

锂金属负极具有最低电化学电势（-3.04 V）和超高理论比容量（3860 mAh g^-1），被广泛认为是实现高能量密度储能的最理想的负极材料。使用金属锂作为负极的可充电高能锂金属电池（LMB）是打破传统锂离子电池能量密度瓶颈的最佳方案之一。但由于其活性极强以及非均匀沉积/剥离导致的体积膨胀、锂枝晶生长、死锂和非均匀SEI等问题，严重影响了电池的循环寿命以及安全性能，阻碍了锂金属电池的实际应用。

文章简介

近日，天津大学韩晓鹏教授课题组设计了一种具有导电-亲锂双梯度刺球状Ag@CuO异质结构负极材料，纳米级刺球结构三维堆积搭建高比表面储锂空间，通过导电-亲锂双梯度效应与物理限域诱导Li定向均匀沉积，同时形成均一富含无机成分的Li₂O-rich SEI，实现了1200圈循环后Li||Ag@CuO库伦效率保持在98.89%，相应对称电池可实现2800 h稳定循环，并在1.16 Ah软包电池（382 Wh kg^-1）中得到验证和应用。其研究成果以题为“Dual-gradient Engineering of Urchin-like Silver@Copper Oxide Heterostructures for Highly Stable Lithium Metal Anodes”在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表。

本文要点

要点一：简便快速的合成方法。

与以往高温高压下的水热法相比，具有导电-亲锂双梯度、合金-转化双亲锂机制的海胆状Ag@CuO异质结构可在常温常压下通过一步液相还原反应轻松实现十克级制备，通过机械涂覆可单次制备出>500 cm²电极片，实现了纳米级电极材料的快速制备和电极片的批量生产，为实验室级研究探索提供了便利，同时为产业化应用的实现提供了可能。

图1. Ag@CuO的制备、反应机理和应用示意图。

要点二：双梯度异质结构。

Ag@CuO呈现出海胆状核壳结构，其核为具有高电导率且可与Li发生无限固溶反应的纳米Ag颗粒，壳为通过转化反应具有亲锂性质的过渡金属氧化物CuO。其核壳异质结构同步实现了由结构外层到内层导电性和亲锂性的递增，从而诱导了Li自核部向刺状外部依次自内而外的定向沉积。海胆状纳米球颗粒交联构成连续三维多孔储锂框架，通过导电-亲锂双梯度效应诱导Li定向均匀沉积，增大了电极储锂空间利用率，同时通过物理限域抑制体积膨胀与枝晶产生。

图2. Ag@CuO异质结的结构&形貌表征，物相分析与证明。

要点三：双亲锂机制。

Ag@CuO异质结构独特的固溶合金化反应和转化反应双亲锂机制，协同诱导着锂的均匀形核和稳定沉积/剥离。Li与Ag之间的无限固溶反应大大降低了Li形核过电位（~0V），同时，在CuO和Li之间的转化反应过程中，原位生成了高度致密且均匀的富含 Li₂O的SEI膜，Li₂O作为一种金属氧化物，具有较高的离子电导率（10-9 S cm^-2）和较低的 Li⁺迁移活化能（0.58 eV），为Li+的传输迁移提供了快速通道，使得该Li₂O-rich SEI有效诱导Li的均匀快速沉积。

图3. 锂沉积/剥离反应过程及亲锂机制，SEI的成分与含量表征。

要点四：卓越的可逆性和稳定性。

(i) Li||Ag@CuO电池在1200次循环后仍能保持98.89%的高库仑效率；(ii) Ag@CuO||Ag@CuO对称电池在10.6 mV的低极化电压下，在1400次循环中表现出2800 h的长循环寿命；(iii) 不同沉积/剥离条件下，Ag@CuO 集流体可高度保持结构稳定性与完整性，具有良好的机械强度与循环稳定性能。(Ⅳ) 结合NCM-811正极，制备出了高容量（1.16 Ah）软包电池，相应的能量密度高达382 Wh kg^-1。

图4. Li||Ag@CuO半电池与Ag@CuO||Ag@CuO对称电池电化学性能。

图5. 不同沉积/剥离量下Ag@CuO集流体形貌图。

图6. Ag@CuO全电池性能测试及软包应用。

文章链接

Dual-gradient Engineering of Urchin-like Silver@Copper Oxide Heterostructures for Highly Stable Lithium Metal Anodes

https://doi.org/10.1002/adfm.202401442

通讯作者简介

韩晓鹏教授简介：天津大学英才教授，博士生导师，国家优青，天津大学国家储能平台副主任（兼），长期从事能源新材料及电化学器件方面的研究，主持承担国家自然科学基金优青、面上和青年基金，中国科协青年人才托举、JKW 国防科技1*3领域基金、装发快速支持、创新特区等项目，在Nature Energy、Nature Commun.、Adv. Mater.、JACS、Angew. Chem.、AEM、AFM等国内外顶级期刊发表SCI论文210篇，其中第一/通讯作者100余篇，36篇ESI高被引，SCI总被引17000余次，H因子70，连续四年入选科睿唯安全球高被引学者（材料科学/交叉领域）。兼任Frontiers in Chemistry副主编，SCMs、eScience、Carbon Energy、Rare Metals、CCLs、物理化学学报等期刊（青年）编委，中国内燃机学会储能分会理事、天津市金属学会理事，出版学术著作3部，第一发明人授权发明专利10项（其中3项已转化），建立了产学研基地，标志性成果已实现了验证和示范应用，先后获天津市和教育部自然科学一等奖。

第一作者简介

高梦，天津大学2022级硕士，从事锂金属电池负极材料研究。

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