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王成新/雷丹妮EnSM:原位形成納米鋰鋁合金負極實現高能鋰金屬電池!

王成新/雷丹妮EnSM:原位形成納米鋰鋁合金負極實現高能鋰金屬電池!
可充電鋰金屬電池(LMB)的實際應用受到鋰沉積不均勻和無限副反應的限制。在實際場景中,電池溫度升高可能會加劇副反應并顯著降低電池效率。
王成新/雷丹妮EnSM:原位形成納米鋰鋁合金負極實現高能鋰金屬電池!
為此,中山大學王成新教授、雷丹妮副教授等人報道了一種通過金屬乙醇鹽(Al(EtO)3、Sn(EtO)2和Mg(EtO)2)的鋰熱還原來合成鋰合金負極(Li-Al、Li-Sn 和 Li-Mg)的新穎而簡單的方法。根據元素的電負性和報道值,Li-Al的鍵能小于Li-Sn,表明其具有較高的親鋰性。雖然Li-Mg和Li-Al的鍵能幾乎相同,但產物中存在的許多副產物不利于在循環過程中獲得Li的均勻沉積。
此外,成核過電位的實驗結果也證實了這一點。因此,作者使用基于Li-Al合金的高親鋰性鋰負極來提高LMB的循環穩定性。與純鋰負極相比,納米Li-Al負極(NLA)中原位形成的Li-Al合金的均勻分布可以提供快速離子擴散通道并降低Li的成核潛力,從而誘導均勻Li沉積。

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圖1. NLA-20和純Li的SEM圖像和SEI組成
此外,SEM表征進一步證實了NLA-20(Al含量為20%)可以減少副反應并促進鋰的均勻沉積,XPS結果表明NLA-20上產生了更薄更致密的SEI膜。因此,NLA-20||NLA-20對稱電池在60 °C、電流密度為0.5 mA cm-2、面積容量為1 mAh cm-2的條件下表現出異常低的過電位(5 mV)和超長的循環壽命(1100小時)。當與NCM622正極(8.8 mg cm-2)配對時,全電池在0.3/0.5 C(充電/放電)下循環490次后可提供72% 的容量保持率。
此外,高質量負載的NCM622(21.6 mg cm-2)與NLA-20組裝的NCM622||NLA-20全電池在60 °C下保持了99.5% 的CE和300小時的穩定循環,這明顯優于NCM622||Li電池。因此,該研究為制備納米級富鋰合金提供了一種新穎且通用的解決方案,并促進了LMB的商業化。

王成新/雷丹妮EnSM:原位形成納米鋰鋁合金負極實現高能鋰金屬電池!

圖2. NCM622||NLA-20全電池在不同溫度下的電化學性能

In-situ formation of a nanoscale lithium aluminum alloy in lithium metal for high-load battery anode, Energy Storage Materials 2022. DOI: 10.1016/j.ensm.2022.03.036

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