崔屹Nature新作:独立的超薄锂金属-氧化石墨烯主体箔,厚度可控制,用于锂电池

崔屹Nature新作:独立的超薄锂金属-氧化石墨烯主体箔,厚度可控制,用于锂电池

第一作者:Hao Chen,Yufei Yang
通讯作者:Yi Cui
通讯单位:斯坦福大学
DOI:https://doi.org/10.1038/s41560-021-00833-6
原文链接:https://www.nature.com/articles/s41560-021-00833-6

背景介绍
薄(≤20 μm)、独立的锂金属箔可以实现锂离子电池正极材料的精确预锂化和高能量密度。现有的锂金属箔太厚(通常50 ~ 750 μm)或机械上太脆弱。作者通过一种简单和可扩展的方法来合成超薄(0.5 ~ 20 μm)的机械坚固的锂金属箔。除具有较低的面积容量外,该金属箔的机械强度也大大提高。采用这种薄锂复合负极,可使锂金属全电池的循环寿命延长9倍。

本文亮点

  1. 本工作开发了一种产生超薄、独立的锂金属箔的制备工艺。该可调压延工艺可降低还原氧化石墨烯(rGO)的厚度,使预锂化更加精确和能量密度更高。
  2. 本工作合成的锂金属薄膜可调和超低容量使其成为补偿石墨负极和硅负极中锂的初始损耗的理想材料。
  3. 本工作合成的超薄锂金属薄膜的三维(3D)宿主结构可使Li溶解/沉积高度可逆,防止负极迅速坍塌,使循环寿命延长9倍。

图文解析

崔屹Nature新作:独立的超薄锂金属-氧化石墨烯主体箔,厚度可控制,用于锂电池

要点:
1、作者通过对锂基体进行控制,使微米级的厚度成为可能,然后采用边缘接触熔融Li使其吸收到基体中实现材料的预锂化。
2、作者选择氧化石墨烯薄膜是因为它使材料合成过程可扩展,并具有良好的机械强度和稳定性。

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要点:
1、具有代表性的压痕力-位移响应表明,在相同压痕深度下,Li@eGF上的压痕力比纯Li上的压痕力高150%左右。说明与纯Li相比,Li@eGF的机械强度有所提高。同时,Li@eGF薄膜的硬度也高于纯Li。
2、Li@eGF (9.34 GPa)的弹性模量也比纯Li高48%,Li@eGF的拉伸强度也远高于纯Li。
3、除了以上性能外,Li@eGF超薄薄膜还具有优良的柔韧性,轧制后仍能保持原有的形状和功能。

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要点:
1、作者合成的超薄Li@eGF薄膜,其可调的厚度使得精确补偿传统锂离子电池SEI膜形成的容量损失成为可能。
2、在没有预锂化的情况下,石墨|| Li半电池具有相对较低的锂含量,ICE约为93%,表明SEI膜消耗了约7%的Li。而预锂化的超薄Li@eGF薄膜可补偿这部分的容量损失。
3、精确的预锂化石墨负极具有良好的循环稳定性,且批次之间有很好的一致性。
4、石墨|| LFP全电池经超薄Li@eGF预锂化处理后,没有金属锂镀层,表明所有锂离子都被石墨负极容纳。当Li@eGF薄膜的厚度增加时,扫描电镜图像可发现锂枝晶的生成。

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要点:
1、5 μm厚的Li@eGF是预锂化最理想的厚度,因为其电容(0.853 mAh cm−2)与初始锂损耗量相匹配,可以将负极容量提高到100.5%。
2、预锂化的硅负极与未预锂化的硅负极具有相似的电压分布,这表明负极的电化学行为或动力学没有改变。
3、通过Li@eGF对传统石墨和先进纳米硅负极的成功预锂化证明了其作为锂离子电池预锂化材料的普适性。
4、除了预锂化,Li@eGF薄膜还能最大限度地减少体积膨胀引起的裂纹,并提高纳米硅负极的循环稳定性。

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要点:
1、作者观察商业上可获得的20 μm厚的纯锂金属负极全电池的容量衰减,发现从第21步放电过程开始出现突然的电压下降。在随后的循环中,电池电路中断,容量完全损失。
2、作者为了解释这种失效模式,在20次循环后从电池中提取了20 μm厚的纯锂金属负极,发现很多明显的从负极断开的孔和裂缝。
3、作者用20 μm厚的Li@eGF薄膜代替纯Li金属薄膜,大大提高了循环稳定性。所制备的Li@eGF || LFP全电池在200次循环后仍保持81%的容量。扫描电镜图像显示,20 μm厚的Li@eGF负极经过200次循环后,没有出现裂纹,并保留了初始的三维连续结构。

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