鋰金屬的高比容量是滿足可充電電池當(dāng)前需求的理想選擇，但鋰枝晶的不可控生長(zhǎng)和不可逆的體積膨脹是其應(yīng)用面臨的主要挑戰(zhàn)。3D鋰主體材料可以通過(guò)降低大表面積的電流密度并在其孔中容納鋰金屬來(lái)緩解這些問(wèn)題。然而，由于鋰離子通過(guò)曲折的孔擴(kuò)散緩慢，鋰枝晶持續(xù)形成，導(dǎo)致堵塞，從而導(dǎo)致不可控的枝晶生長(zhǎng)。在此，研究者們?cè)谔技{米管（CNTs）支架的外表面或支架內(nèi)單個(gè)CNT的外表面通過(guò)配位鍵沉積的方式涂覆了MOF膜（LM-CNT），通過(guò)在Operando電池中的直接觀察和在SEM下對(duì)CNT電極橫截面的非原位觀察，研究了LM-CNT的鍍鋰行為。LM-CNT的MOF層促進(jìn)了鋰向集電器的深部插入/沉積，沒(méi)有明顯的枝晶生長(zhǎng)，直到24 mAh cm
-2（電流密度為8 mA cm
-2）的容量，增加了鋰電鍍/剝離壽命（超過(guò)1700 h，20mAh cm
-2），優(yōu)于化學(xué)處理的CNT（C-CNT）（10 mAh cm
-2）和在單個(gè)CNT的所有表面覆蓋MOF（IM-CNT）（4 mAh cm
-2）。MOF具有足夠大的孔以供鋰離子滲透，其電子絕緣特性會(huì)產(chǎn)生電容效應(yīng)，將鋰離子分布在 MOF層的表面，以避免在鍍鋰過(guò)程中出現(xiàn)枝晶生長(zhǎng)和堵塞。獲得了優(yōu)異的體積和重量容量（≈940 mAh cm
-3和≈980 mAh g
-1）以及優(yōu)異的累積容量（≈4.9 Ah cm-2）。這種策略，可以避免多孔電極中Li枝晶的形成和堵塞，這對(duì)于開(kāi)發(fā)需要高電流密度和高容量的高能量密度可充電鋰電池至關(guān)重要。
Figure 1. （a）MOF涂覆沉積在化學(xué)處理的CNT (C-CNT)上和（b）MOF涂覆沉積在CNT的外表面 (LM-CNT) 和（c）MOF涂覆沉積在單CNT的所有表面(IM-CNT)的制備過(guò)程的示意圖。 （d）原始CNT (P-CNT)的FTIR光譜（藍(lán)線），C-CNT（黑線）和LM-CNT（紅線）。（e）C-CNT，（f）IM-CNT，（g）LM-CNT的中間層，（h）LM-CNT的外表面以及（i）鋰化后LM-CNT外表面的SEM圖
Figure 2. 在電流密度為8 mA cm
−2下，鋰被鍍到（a）LM-CNT，（b）C-CNT和（c）IM-CNT時(shí)，Operando電池和相應(yīng)的面積容量。（d）鍍鋰過(guò)程中LM-CNT(紅線)、C-CNT(黑線)和IM-CNT(紫線)的電壓分布。插圖顯示了前3 mAh cm
−2期間的電壓分布。
Figure 3.（a-d）LM-CNT、（e-g）C-CNT和（h-j）IM-CNT橫截面的SEM圖，在圖像中，鋰的插入方向是從右(鋰金屬和隔膜側(cè))到左(集電體)。（k）鋰嵌入LM-CNT、C-CNT 和IM-CNT中的過(guò)程示意圖。紫色、青色和黑色表示MOF、鋰和碳。
Figure 4. （a）阻抗圖和模擬等效電路圖以及相應(yīng)的插圖，（b，d）LM-CNT，（c,e）C-CNT
Figure 5. 紐扣電池中LM-CNT電極在20 mAh cm-
2（a）鍍鋰和（b）剝離后的橫截面 SEM圖。（c）LM-CNT|Li在初始330小時(shí)（下圖）為2.5-20 mA cm
-2的電壓曲線，其余1760小時(shí)為5 mA cm
-2，以及20 mAh cm
-2鋰電鍍/剝離的庫(kù)倫效率（上插圖）。（d）LM-CNT|Li和文獻(xiàn)中的那些（由碳質(zhì)材料和金屬制成的有或沒(méi)有涂層的支架，具有陶瓷或聚合物涂層的鋰金屬）每個(gè)循環(huán)的累積容量與電鍍?nèi)萘俊＃╡）LM-CNT在鋰鍍到20 mAh cm-
2時(shí)的重量和體積容量，以及當(dāng)它們完全鋰化時(shí)傳統(tǒng)石墨電極的重量和體積容量。（f）由鍍鋰LM-CNT陽(yáng)極(10 mAh cm
-2)和硫負(fù)載的面積為5 mg cm
-2 的硫陰極制成的Li-S電池的比容量、面積容量和庫(kù)倫效率與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系，它可以提供≈5 mAh cm
-2的面積容量（N/P比≈2）。
相關(guān)研究成果由美國(guó)德州農(nóng)工大學(xué)Choongho Yu課題組于2021年發(fā)表在《ADVANCED FUNCTIONAL MARERIALS》（https://doi.org/10.1002/adfm.202104899）上，原文：Large Cumulative Capacity Enabled by Regulating Lithium Plating with Metal–Organic Framework Layers on Porous Carbon Nanotube Scaffolds。
轉(zhuǎn)自《石墨烯雜志》公眾號(hào)
.jpg)
