三维大孔/介孔碳-碳化钛复合材料用于无枝晶锂金属负极

张威 梁海琛 朱科润 田泳 刘瑶 陈佳音 李伟

引用本文: 张威, 梁海琛, 朱科润, 田泳, 刘瑶, 陈佳音, 李伟. 三维大孔/介孔碳-碳化钛复合材料用于无枝晶锂金属负极[J]. 物理化学学报, 2022, 38(6): 210502. doi: 10.3866/PKU.WHXB202105024 shu
Citation:  Wei Zhang, Haichen Liang, Kerun Zhu, Yong Tian, Yao Liu, Jiayin Chen, Wei Li. Three-Dimensional Macro-/Mesoporous C-TiC Nanocomposites for Dendrite-Free Lithium Metal Anode[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2022, 38(6): 210502. doi: 10.3866/PKU.WHXB202105024 shu

三维大孔/介孔碳-碳化钛复合材料用于无枝晶锂金属负极

    通讯作者: 李伟, weilichem@fudan.edu.cn
  • 基金项目:

    国家重点研发计划 2018YFE0201701

    国家重点研发计划 2018YFA0209401

    国家自然科学基金 21733003

    国家自然科学基金 22088101

    国家自然科学基金 21975050

    中国博士后科学基金 2020TQ0064

    中国博士后科学基金 2020M680051

    上海市科学技术委员会 19JC1410700

    广东省基础与应用基础研究基金 2021A1515010108

摘要: 金属锂具有超高的理论容量(3860 mAh·g-1)和低氧化还原电位(-3.04 V vs.标准氢电极),是极具吸引力的下一代高能量密度电池的负极材料。然而,循环过程中的体积膨胀、锂枝晶生长和“死锂”等问题严重的限制了其实际应用。合理设计三维骨架调控金属锂的成核行为是抑制锂枝晶生长的有效策略。本文中,我们发展了一种“软硬双模板”的方法合成了兼具大孔和介孔的三维碳-碳化钛(Three-dimensional macro-/mesoporous C-TiC,表示为3DMM-C-TiC)复合材料。多级孔道为金属锂的沉积提供了足够的空间,缓冲充放电中巨大的体积变化。此外,TiC的引入显著增强多孔骨架的导电性,改善锂金属的成核行为,促进金属锂的均匀成核和沉积,抑制锂枝晶生长。3DMM-C-TiC||Li电池测试表明,在循环300圈以后,库伦效率仍保持在98%以上。此外,所得材料与LiFePO4 (LFP)组成的全电池也表现出优异的倍率和循环性能。本工作为无枝晶锂金属负极的设计提供了新的思路。

English

    1. [1]

      Manthiram, A. ACS Cent. Sci. 2011, 3, 1063. doi: 10.1021/acscentsci.7b00288

    2. [2]

      Zubi, G.; Dufo-López, R.; Carvalho, M.; Pasaoglu, G. Renew. Sustain. Energy Rev. 2018, 89, 292. doi: 10.1016/j.rser.2018.03.002

    3. [3]

      Wang, Q.; Jiang, L.; Yu, Y.; Sun, J. Nano Energy 2019, 55, 93. doi: 10.1016/j.nanoen.2018.10.035

    4. [4]

      Blomgren, G. E. J. Electrochem. Soc. 2016, 164, A5019. doi: 10.1149/2.0251701jes

    5. [5]

      Goodenough, J. B. Energy Storage Mater. 2015, 1, 158. doi: 10.1016/j.ensm.2015.07.001

    6. [6]

      Scrosati, B.; Hassoun, J.; Sun, Y. K. Energy Environ. Sci. 2011, 4, 3287. doi: 10.1039/c1ee01388b

    7. [7]

      Liu, T.; Ren, Y.; Shen, Y.; Zhao, S. X.; Lin, Y.; Nan, C. W. J. Power Sources 2016, 324, 349. doi: 10.1016/j.jpowsour.2016.05.111

    8. [8]

      Liu, K.; Liu, Y.; Lin, D.; Pei, A.; Cui, Y. Sci. Adv. 2018, 4, eaas9820. doi: 10.1126/sciadv.aas9820

    9. [9]

      An, W.; Gao, B.; Mei, S.; Xiang, B.; Fu, J.; Wang, L.; Zhang, Q.; Chu, P.; Huo, K. Nat. Commun. 2019, 10, 1447. doi: 10.1038/s41467-019-09510-5

    10. [10]

      王木钦, 彭哲, 林欢, 李振东, 刘健, 任重民, 何海勇, 王德宇. 物理化学学报, 2021, 37, 2007016. doi: 10.3866/PKU.WHXB202007016Wang, M. Q.; Peng, Z.; Lin, H.; Li, Z. D.; Liu, J.; Ren, Z. M.; He, H. Y.; Wang, D. Y. Acta Phys. -Chim. Sin. 2021, 37, 2007016. doi: 10.3866/PKU.WHXB202007016

    11. [11]

      刘凡凡, 张志文, 叶淑芬, 姚雨, 余彦. 物理化学学报, 2021, 37, 2006021. doi: 10.3866/PKU.WHXB202006021Liu, F. F.; Zhang, Z. W.; Ye, S. F.; Yao, Y.; Yu, Y. Acta Phys. -Chim. Sin. 2021, 37, 2006021. doi: 10.3866/PKU.WHXB202006021

    12. [12]

      Lin, D.; Liu, Y.; Cui, Y. Nat. Nanotechnol. 2017, 12, 194. doi: 10.1038/nnano.2017.16

    13. [13]

      Liu, Y.; Zhai, Y.; Xia, Y.; Li, W; Zhao, D. Small Struct. 2021, 2000118. doi: 10.1002/sstr.202000118

    14. [14]

      Li, C.; Wei, J.; Li, P.; Tang, W.; Feng, W.; Liu, J.; Wang, Y; Xia, Y. Sci. Bull. 2019, 64, 478. doi: 10.1016/j.scib.2019.03.004

    15. [15]

      Guo, Y; Li, H; Zhai, T. Adv. Mater. 2017, 29, 1700007. doi: 10.1002/adma.201700007

    16. [16]

      岳昕阳, 马萃, 包戬, 杨思宇, 陈东, 吴晓京, 周永宁. 物理化学学报, 2021, 37, 2005012. doi: 10.3866/PKU.WHXB202005012Yue, X. Y.; Ma, C.; Bao, J.; Yang, S. Y.; Chen, D.; Wu, X. J.; Zhou, Y. N. Acta Phys. -Chim. Sin. 2021, 37, 2005012. doi: 10.3866/PKU.WHXB202005012

    17. [17]

      Liu, S.; Xia, X.; Zhong, Y.; Deng, S.; Yao, Z.; Zhang, L.; Chen, X; Wang, X; Zhang, Q.; Tu, J. Adv. Energy Mater. 2018, 8, 1702322. doi: 10.1002/aenm.201702322

    18. [18]

      Yuan, S.; Bao, L. J.; Wei, J.; Xia, Y.; Truhlar, D. G.; Wang, Y. Energy Environ. Sci. 2019, 12 2047. doi: 10.1039/c9ee01473j

    19. [19]

      Qian, J.; Henderson, W. A.; Xu, W.; Bhattacharya, P.; Engelhard, M.; Borodin, O.; Zhang, J. Nat. Commun. 2015, 6, 6362. doi: 10.1038/ncomms7362

    20. [20]

      秦金利, 任龙涛, 曹欣, 赵亚军, 许海军, 刘文, 孙晓明. 物理化学学报, 2021, 37, 2009020. doi: 10.3866/PKU.WHXB202009020Qin, J. L.; Ren, L. T.; Cao, X.; Zhao, Y. J.; Xu, H. J.; Liu, W.; Sun, X. M. Acta Phys. -Chim. Sin. 2021, 37, 2009020. doi: 10.3866/PKU.WHXB202009020

    21. [21]

      Xia, S.; Lopez, J.; Liang, C.; Zhang, Z.; Bao, Z.; Cui, Y.; Liu, W. Adv. Sci. 2019, 6, 1802353. doi: 10.1002/advs.201802353

    22. [22]

      Fan, L.; Wei, S.; Li, S.; Li, Q.; Lu, Y. Adv. Energy Mater. 2018, 8, 1702657. doi: 10.1002/aenm.201702657

    23. [23]

      Han, X.; Gong, Y.; Fu, K.; He, X.; Hitz, G. T.; Dai, J.; Pearse, A.; Liu, B.; Wang, H.; Rubloff, G.; et al. Nat. Mater. 2016, 16, 572. doi: 10.1038/nmat4821

    24. [24]

      Gu, Y.; Wang, W. W.; Li, Y. J.; Wu, Q. H.; Tang, S.; Yan, J. W.; Zheng, M. S.; Wu, D. Y.; Fan, C. H.; Hu, W. Q.; et al. Nat. Commun. 2018, 9, 1339. doi: 10.1038/s41467-018-03466-8

    25. [25]

      Li, Y.; Sun, Y.; Pei, A.; Chen, K.; Vailionis, A.; Li, Y.; Zheng, G.; Sun, J.; Cui, Y. ACS Cent. Sci. 2018, 4, 97. doi: 10.1021/acscentsci.7b00480

    26. [26]

      Liang, X.; Pang, Q.; Kochetkov, I. R.; Sempere, M. S.; Huang, H.; Sun, X.; Nazar, L. F. Nat. Energy 2017, 2, 17119. doi: 10.1038/nenergy.2017.119

    27. [27]

      张云博, 林乔伟, 韩俊伟, 韩志远, 李曈, 康飞宇, 杨全红, 吕伟. 物理化学学报, 2021, 37, 2008088. doi: 10.3866/PKU.WHXB202008088Zhang, Y. B.; Lin, Q. W.; Han, J. W.; Han, Z. Y.; Li, T.; Kang, F. Y.; Yang, Q. H.; Lü, W. Acta Phys. -Chim. Sin. 2021, 37, 2008088. doi: 10.3866/PKU.WHXB202008088

    28. [28]

      Yun, Q.; He, Y. B.; Lv, W.; Zhao, Y.; Li, B.; Kang, F.; Yang, Q. H. Adv. Mater. 2016, 28, 6932. doi: 10.1002/adma.201601409

    29. [29]

      Zhai, P. B.; Wang, T. S.; Yang, W. W.; Cui, S. Q.; Zhang, P.; Nie, A.; Zhang, Q.; Gong, Y. J. Adv. Energy Mater. 2019, 9, 1804019. doi: 10.1002/aenm.201804019

    30. [30]

      王骞, 吴恺, 王航超, 刘文, 周恒辉. 物理化学学报, 2021, 37, 2007092. doi: 10.3866/PKU.WHXB202007092.Wang, Q.; Wu, K.; Wang, H. C.; Liu, W.; Zhou, H. H. Acta Phys. -Chim. Sin. 2021, 37, 2007092. doi: 10.3866/PKU.WHXB202007092

    31. [31]

      Liu, L.; Yin, Y. X.; Li, J. Y.; Wang, S. H.; Guo, Y. G.; Wan, L. J. Adv. Mater. 2018, 30, 1706216. doi: 10.1002/adma.201706216

    32. [32]

      Zhang, R.; Chen, X.; Shen, X.; Zhang, X. Q.; Chen, X. R.; Cheng, X. B.; Yan, C.; Zhao, C. Z.; Zhang, Q. Joule 2018, 2, 764. doi: 10.1016/j.joule.2018.02.001

    33. [33]

      Adams, B. D.; Zheng, J.; Ren, X.; Xu, W.; Zhang, J. G. Adv. Energy Mater. 2018, 8, 1702097. doi: 10.1002/aenm.201702097

    34. [34]

      Zhang, W.; Zu, L.; Kong, B.; Chen, B.; He, H.; Lan, K.; Liu, Y.; Yang, J.; Zhao, D. iScience 2018, 3, 149. doi: 10.1016/j.isci.2018.04.009

    35. [35]

      Peng, H. J.; Zhang, G.; Chen, X.; Zhang, Z. W.; Xu, W. T.; Huang, J. Q.; Zhang, Q. Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 12990. doi: 10.1002/anie.201605676

    36. [36]

      Liu, Y.; Lan, K.; Li, S.; Liu, Y.; Kong, B.; Wang, G.; Zhang, P.; Wang, R.; He, H.; Ling, Y.; et al. J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 517. doi: 10.1021/jacs.6b11641

    37. [37]

      Liu, Y.; Lan, K.; Bagabas, A. A.; Zhang, P.; Gao, W.; Wang, J.; Sun, Z.; Fan, J.; Elzatahry, A. A.; Zhao, D. Small 2016, 12, 860. doi: 10.1002/smll.201503420

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  13
  • 文章访问数:  1099
  • HTML全文浏览量:  236
文章相关
  • 发布日期:  2022-06-15
  • 收稿日期:  2021-05-13
  • 接受日期:  2021-06-22
  • 修回日期:  2021-06-06
  • 网络出版日期:  2021-07-01
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章