Nano Letters：具有改善电池容量保持率和抑制锂枝晶的层间校准薄锂金属电极

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2020-03-18

与标准氢电极相比，理论比容量为3860 mAhg^-1，-3.04 V低电势的锂金属被认为是可以满足高能量密度需求的最有希望负极材料之一。然而，由于SEI的可逆消耗一般都需要过量的锂金属，因此不可避免地增加了电池总重量以及由于短路造成的安全性隐患。因此，开发具有薄锂，同时保持可靠的镀覆和剥离和出色抑制锂枝晶生长的下一代锂离子电池（LIB）变得至关重要。近日，威斯康星大学密尔沃基分校牛俊杰教授等人将层间校准的2D Ti₃C₂T_x MXene叠层使涂覆在Li主体上，成功设计出一种Li金属薄电极，该电极具有高度可逆的镀锂/剥离和锂枝晶抑制等特点。同时，测试了其作为负极材料与NMC或NCA正极材料配对组装的全芯电池，显示出容量保持率大大提高。

文章要点：

1）通过酸蚀工艺从层状三元碳化物Ti₃AlC₂相中提取Al元素来制备非分层的Ti₃C₂T_x MXene叠层。通过SEM，TEM等测试表明，除去Al后，其层状结构保持完整。随后将未经进一步剥落和处理的原样MXene叠层通过无粘合剂/无添加剂的过程压在铜箔上，以达到所设计的厚度，类似地，可以获得薄至30μm的Li薄片。最后，通过施加力将倒置堆叠的MXene转移到Li薄片主体上。采用可控的过程分别在300和30μm的Li主体上获得具有相对光滑表面的MXene层，获得了设计厚度为30μm和15μm的MXene堆叠电极。未分层的MXene堆层是随机分散的。每个叠层堆都显示出足够的层间间距，从而提供了足够的空间来存储锂。

2）在10 mA cm^-2的大电流密度下，可以实现高度可靠的镀锂/剥离。 同时，具有出色电导率和较大可用空间的2D叠层可以最大程度地降低局部电流密度并调节Li的生长，从而导致Li的均匀沉积/提取，减少了富含无机物的SEI形成。同时，来自中间层的2D限制效应进一步抑制了锂枝晶的生长。

3）具有ILC-Li电极的对称电池和全电池在高充电/放电速率和长循环时均显示出高容量保持率。同时，由NCA与低N/P比配对的全电池电池显示的能量密度高达366.6 Wh/Kg。

Chen, Xi, et al, Inter-layer-calated thin Li metal electrode with improved battery capacity retention and dendrite suppression, Nano Lett., 2020

DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c00201

https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.0c00201