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苏州纳米所蔺洪振团队等Advanced Science:肖特基缺陷助力催化剂电子结构调控促进Li扩散实现无锂枝晶电池

  储能技术能够改善人们的生活方式,促进便携式智能电子产品到新兴的电动汽车行业的快速发展。金属锂基电池因其高比容量3860 mA h g-1较低的标准电压(-3.04 V vs. SHE而备受关注然而锂金属电池的实际应用仍然面临严峻的挑战锂离子溶剂化后的不可控沉积导致锂枝晶生长,体积膨胀致使SEI的反复破裂和修复会不断消耗电解液,使电池的循环寿命缩短甚至出现严重的安全问题中科院苏州纳米所蔺洪振研究团队在前期研究中发现,构筑有序结构的SEI人工层能够有效抑制枝晶的生长(Chem. Eng. J. 2022, 446, 137291; Adv. Funct. Mater. 2021, 31, 2007434Adv. Funct. Mater. 2022, 31, 2110468; ACS Appl. Mater. Interface 2019, 11, 30500),通过催化剂/活化剂可以降低离子/原子扩散势垒有助于提高锂动力学行为及加快多硫化物的转化,能获得长的锂电池循环寿命(Chem. Eng. J. 2022, 429, 132352 ; Nano Lett. 2021, 21, 3245Energy Storage Mater. 2019, 18, 246; Energy Storage Mater. 2020, 28, 375ChemSusChem 2020, 13, 3404J. Mater. Chem. A 2020, 8, 22240。另外,利用缺陷工程是实现催化剂内部电子再分配、产生本征活性位点或协同位点提升催化活性有效方法(Adv. Energy Sustainability Res. 2022, 2100187; Chem. Eng. J. 2020, 417, 128172; Energy Storage Mater. 2019, 18, 246; Energy. Environ. Mater. 2021, DOI: 10.1002/eem2.12250)。 

  针对不可控锂离子/原子动力学行为引起的枝晶生长的问题中科院苏州纳米所蔺洪振研究员联合西安理工大学游才印团队张静博士与德国亥姆赫兹电化学研究所王健博士,从表界面功能化角度出发,首次提出利用高活性电催化剂去调剂锂离子动力学行为,具体而言,采用基缺陷调控氧化铈的4f中心电子结构SDMECO@HINC),产生大量活性位点提升其催化活性。SDMECO@HINCLi去溶剂化Li扩散动力学方面表现出了优异的电催化活性,平滑锂镀层实现了无枝晶长寿命的锂金属电池。 

  1 肖脱基缺陷调控氧化铈4f中心电子结构实现无枝晶镀锂 

  如图2所示,通过引入肖特基缺陷,氧化铈中4f电子结构具有可调性和轨道杂化的特性,催化中心的电子态发生显著变化。随后,4f电子态与Li原子相互作用后通过电荷转移得到了显著的恢复,这初始成核过程中Li原子的均匀捕获的关键因素另外,吸附能随电子调控强度的增加而增,这表明肖特基缺陷浓度越高,越有利于Li的捕获均匀  

  2 理论模拟肖脱基缺陷调控氧化铈电子结构及其与锂原子的作用关系 

  基缺陷调控的氧化铈被均匀锚定在N掺杂的三维碳纳米管骨架中(SDMECO@HINC),有利于催化过程中离子/电子的快速传导,同时,通过在HINC上化学法原位生长SDMECO的方式可以在二者之间形成更兼容和稳定的界面,促进电化学反应中离子/电子的输运。联合RamanXPS等多种手段验证SDMECO@HINC肖特基缺陷引起4f中心电子密度转移诱导形成了价带重组。 

  由于Ce4f中心电子结构重排,产生大量活性位点提升了SDMECO@HINC的催化活性,降低了锂原子的形核势垒(3)SDMECO@HINC调控后的Li后成核势垒降至11 mV。在后续循环过程中, SDMECO@HINC使Li原子的扩散更快并且沉积更均匀过电位稳定在~13 mV持续稳定1200 h没有枝晶形成。即使提升电流密度和面容量至2 mA cm-2 2 mA h cm-2SDMECO@HINC-Li电极700 h保持不超过100 mV的低过电位。同时,SDMECO@HINC催化层还能显著提升Li电极的充放电库伦效率至98%左右。  

  3 4f电子重构的SDMECO@HINC锂金属电极的电化学稳定性和寿命的促进作用 

  通过SEM观察到循环后裸锂电极表面出现了明显的裂纹沟壑Li枝晶(图4SDMECO@HINC改性后金属锂表面均匀光滑且没出现明显的体积变化。利用界面敏感的原位和频率光谱(SFG)进一步验证SDMECO@HINC修饰层的催化去溶剂化作用有效地促进了从溶剂化的Li+中生成自由的Li+,实现均匀锂沉积 

  4 SDMECO@HINC锂金属中锂离子动力学的调控机理解 

  由此看来,经调4f中心电子密度使催化剂具有更强的催化能力,可促进水平方向的沉积和多硫化锂的转化而抑制穿梭效应,SDMECO@HINC-Li电极与硫正极匹配的Li-S全电池表现出优异的倍率性能(5 C653 mA h g-1)高容量保持率(81.4%3 C),并实现了高能量密度(2264 W h kg-1)软包电池的初步应用。这项工作提供了一种通过调节催化剂的本征电子结构提升催化活性获得长寿命锂电极的新策略。 

  以上研究成果的通讯作者为蔺洪振研究员、王健博士、游才印教授,第一作者为张静博士,以Tuning 4f-center Electron Structure by Schottky Defects for Catalyzing Li Diffusion to Achieve Long-term Dendrite-free Lithium Metal Battery为题,发表在Advanced Science期刊中。以上联合工作受到了江苏省自然科学基金、国家重点研发计划、国家自然科学基金及德国Alexander von Humboldt Foundation(洪堡基金)等基金项目支持。 

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