原位聚合表面修饰的金属锂负极

刘亚 郑磊 谷巍 沈炎宾 陈立桅

引用本文: 刘亚, 郑磊, 谷巍, 沈炎宾, 陈立桅. 原位聚合表面修饰的金属锂负极[J]. 物理化学学报, 2021, 37(1): 2004058-0. doi: 10.3866/PKU.WHXB202004058 shu
Citation:  Liu Ya, Zheng Lei, Gu Wei, Shen Yanbin, Chen Liwei. Surface Passivation of Lithium Metal via In situ Polymerization[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2021, 37(1): 2004058-0. doi: 10.3866/PKU.WHXB202004058 shu

原位聚合表面修饰的金属锂负极

    通讯作者: 沈炎宾, ybshen2017@sinano.ac.cn; 陈立桅, lwchen2008@sinano.ac.cn
  • 基金项目:

    国家自然科学基金(21625304, 21733012, 21772190)和国家科技部(2016YFB0100102)资助项目

摘要: 金属锂负极由于比容量高(3860 mAh·g-1)及氧化还原电位极低(-3.04 V vs.标准氢气电极(SHE)),被认为是实现高能量密度锂电池的理想负极。然而,金属锂电极与电解液反应剧烈,且锂离子在电极表面沉积不均匀容易产生枝晶,导致其循环稳定性和安全性都较差,限制了其应用推广。我们前期通过构建金属锂-碳纳米管(Li-CNT)复合结构,极大的提高了金属锂的比表面积,降低了电极电流密度,从而有效地抑制了锂枝晶的生长,提高了金属锂电极的循环稳定性和安全性能。本工作在前期工作基础上,采用简单的液相反应,利用4-氟苯乙烯(FPS)对Li-CNT进行表面修饰并进行原位聚合,得到了表面富含氟化锂(LiF)保护层的Li-CNT(FPS-Li-CNT)。该表面修饰层能够有效抑制电解液和空气对Li-CNT的侵蚀,显著的提高了Li-CNT电极的界面稳定性。FPS-Li-CNT与磷酸铁锂正极(LFP)组成的LFP||FPS-Li-CNT全电池,在正负极容量配比为1 : 6条件下,能够稳定循环280圈,库伦效率达到97.7%。

English

    1. [1]

      Tarascon, J. M.; Armand, M. Nature 2001, 414 (6861), 359. doi: 10.1038/35104644

    2. [2]

      Goodenough, J. B.; Park, K. S. J. Am. Chem. Soc.2013, 135 (4), 1167. doi: 10.1021/ja3091438

    3. [3]

      Bruce, P. G.; Freunberger, S. A.; Hardwick, L. J.; Tarascon, J. M. Nat. Mater.2012, 11 (1), 19. doi: 10.1038/nmat3191

    4. [4]

      Larcher, D.; Tarascon, J. M. Nat. Chem.2015, 7 (1), 19. doi: 10.1038/nchem.2085v

    5. [5]

      Dunn, B.; Kamath, H.; Tarascon, J. M. Science 2011, 334 (6058), 928. doi: 10.1126/science.1212741

    6. [6]

      Albertus, P. Nat. Energy 2018, 3, 16. doi: 10.1038/s41560-017-0047-2

    7. [7]

      Cao, Y.; Li, M.; Lu, J.; Amine, K. Nat. Nanotechnol.2019, 14 (3), 200. doi: 10.1038/s41565-019-0371-8

    8. [8]

      Shen, Y.; Zhang, Y.; Han, S.; Wang, J.; Peng, Z.; Chen, L. Joule 2018, 2 (9), 1674. doi: 10.1016/j.joule.2018.06.021

    9. [9]

      Sawada, Y.; Dougherty, A.; Gollub, J. P. Phys. Rev. Lett.1986, 56 (12), 1260. doi: 10.1103/PhysRevLett.56.1260

    10. [10]

      Cheng, X. B.; Zhang, R.; Zhao, C. Z.; Zhang, Q. Chem. Rev.2017, 117 (15), 10403. doi: 10.1021/acs.chemrev.7b00115

    11. [11]

      Peled, E. J. Electrochem. Soc.1979, 126 (12), 2047. doi: 10.1149/1.2128859

    12. [12]

      Tikekar, M. D.; Choudhury, S.; Tu, Z. Y.; Archer, L. A. Nat. Energy 2016, 1, 1. doi: 10.1038/nenergy.2016.114

    13. [13]

      Chandrashekar, S.; Trease, N. M.; Chang, H. J.; Du, L. S.; Grey, C. P.; Jerschow, A. Nat. Mater.2012, 11 (4), 311. doi: 10.1038/nmat3246

    14. [14]

      Brissot, C.; Rosso, M.; Chazalviel, J. N.; Lascaud, S. J. Power Sources 1999, 81, 925. doi: 10.1016/s0378-7753(98)00242-0

    15. [15]

      Wandt, J.; Marino, C.; Gasteiger, H. A.; Jakes, P.; Eichel, R. A.; Granwehr, J. Energy Environ. Sci.2015, 8 (4), 1358. doi: 10.1039/c4ee02730b

    16. [16]

      Lin, D. C.; Liu, Y. Y.; Cui, Y. Nat. Nanotechnol.2017, 12 (3), 194. doi: 10.1038/nnano.2017.16

    17. [17]

      Wang, Y. L.; Shen, Y. B.; Du, Z. L.; Zhang, X. F.; Wang, K.; Zhang, H. Y.; Kang, T.; Guo, F.; Liu, C. H.; Wu, X. D.; Wei, L.; Chen, L. W. J. Mater. Chem. A 2017, 5 (45), 23434. doi: 10.1039/c7ta08531a

    18. [18]

      Guo, F.; Wang, Y.; Kang, T.; Liu, C.; Shen, Y.; Lu, W.; Wu, X.; Chen, L. Energy Storage Mater.2018, 15, 116. doi: 10.1016/j.ensm.2018.03.018

    19. [19]

      Zhang, X. Q.; Cheng, X. B.; Chen, X.; Yan, C.; Zhang, Q. Adv. Funct. Mater. 2017, 27 (10), 1605989. doi: 10.1002/adfm.201605989

    20. [20]

      Markevich, E.; Salitra, G.; Aurbach, D. ACS Energy Lett. 2017, 2 (6), 1337. doi: 10.1021/acsenergylett.7b00163

    21. [21]

      Li, W. Y.; Yao, H. B.; Yan, K.; Zheng, G. Y.; Liang, Z.; Chiang, Y. M.; Cui, Y. Nat. Commun. 2015, 6, 7436. doi: 10.1038/ncomms8436

    22. [22]

      Liang, X.; Wen, Z. Y.; Liu, Y.; Wu, M. F.; Jin, J.; Zhang, H.; Wu, X. W. J. Power Sources 2011, 196 (22), 9839. doi: 10.1016/j.jpowsour.2011.08.027

    23. [23]

      Xiong, S. Z.; Xie, K.; Diao, Y.; Hong, X. B. Electrochim. Acta 2012, 83, 78. doi: 10.1016/j.electacta.2012.07.118

    24. [24]

      Ding, F.; Xu, W.; Graff, G. L.; Zhang, J.; Sushko, M. L.; Chen, X. L.; Shao, Y. Y.; Engelhard, M. H.; Nie, Z. M.; Xiao, J.; et al. J. Am. Chem. Soc.2013, 135 (11), 4450. doi: 10.1021/ja312241y

    25. [25]

      Shiraishi, S.; Kanamura, K.; Takehara, Z. I. J. Appl. Electrochem. 1999, 29 (7), 869. doi: 10.1023/A:1003565229172

    26. [26]

      Zhao, J.; Liao, L.; Shi, F. F.; Lei, T.; Chen, G. X.; Pei, A.; Sun, J.; Yan, K.; Zhou, G. M.; Xie, J.; et al. J. Am. Chem. Soc. 2017, 139 (33), 11550. doi: 10.1021/jacs.7b05251

    27. [27]

      Lin, D. C.; Liu, Y. Y.; Chen, W.; Zhou, G. M.; Liu, K.; Dunn, B.; Cui, Y. Nano Lett. 2017, 17 (6), 3731. doi: 10.1021/acs.nanolett.7b01020

    28. [28]

      Chen, L.; Chen, K. S.; Chen, X. J.; Ramirez, G.; Huang, Z. N.; Geise, N. R.; Steinruck, H. G.; Fisher, B. L.; Shahbazian-Yassar, R.; Toney, M. F.; et al. ACS Appl. Mater. Interfaces 2018, 10 (32), 26972. doi: 10.1021/acsami.8b04573

    29. [29]

      Zhang, Y. J.; Wang, W.; Tang, H.; Bai, W. Q.; Ge, X.; Wang, X. L.; Gu, C. D.; Tu, J. P. J. Power Sources 2015, 277, 304. doi: 10.1016/j.jpowsour.2014.12.023

    30. [30]

      Li, Y.; Sun, Y.; Pei, A.; Chen, K.; Vailionis, A.; Li, Y.; Zheng, G.; Sun, J.; Cui, Y. ACS Central Sci. 2018, 4 (1), 97. doi: 10.1021/acscentsci.7b00480

    31. [31]

      Park, K.; Goodenough, J. B. Adv. Energy Mater. 2017, 7 (19), 1700732. doi: 10.1002/aenm.201700732

    32. [32]

      Jing, H. K.; Kong, L. L.; Liu, S.; Li, G. R.; Gao, X. P. J. Mater. Chem. A 2015, 3 (23), 12213. doi: 10.1039/c5ta01490e

    33. [33]

      Kazyak, E.; Wood, K. N.; Dasgupta, N. P. Chem. Mat. 2015, 27 (18), 6457. doi: 10.1021/acs.chemmater.5b02789

    34. [34]

      Mannsfeld, S. C. B.; Tee, B. C. K.; Stoltenberg, R. M.; Chen, C.; Barman, S.; Muir, B. V. O.; Sokolov, A. N.; Reese, C.; Bao, Z. N. Nat. Mater. 2010, 9 (10), 859. doi: 10.1038/nmat2834

    35. [35]

      Zhu, B.; Jin, Y.; Hu, X. Z.; Zheng, Q. H.; Zhang, S.; Wang, Q. J.; Zhu, J. Adv. Mater. 2017, 29 (2), 1603755. doi: 10.1002/adma.201603755

    36. [36]

      Lee, H.; Lee, D. J.; Kim, Y. J.; Park, J. K.; Kim, H. T. J. Power Sources 2015, 284, 103. doi: 10.1016/j.jpowsour.2015.03.004

    37. [37]

      Kang, T.; Wang, Y.; Guo, F.; Liu, C.; Zhao, J.; Yang, J.; Lin, H.; Qiu, Y.; Shen, Y.; Lu, W.; Chen, L. ACS Central Sci. 2019, 5 (3), 468. doi: 10.1021/acscentsci.8b00845

    38. [38]

      Zheng, L.; Guo, F.; Kang, T.; Yang, J.; Liu, Y.; Gu, W.; Zhao, Y. F.; Lin, H. Z.; Shen, Y. B.; Lu, W.; Chen, L. W. Nano Res.2019, 8. doi: 10.1007/s12274-019-2565-7

    39. [39]

      Peled, E.; Tow, D. B.; Merson, A.; Gladkich, A.; Burstein, L.; Golodnitsky, D. J. Power Sources 2001, 97(8), 52. doi: 10.1016/s0378-7753(01)00505-5

    40. [40]

      Dedryvere, R.; Gireaud, L.; Grugeon, S.; Laruelle, S.; Tarascon, J. M.; Gonbeau, D. J. Phys. Chem. B 2005, 109 (33), 15868. doi: 10.1021/jp051626k

    41. [41]

      周金梅, 李海燕, 林国栋, 张鸿斌.物理化学学报, 2010, 26 (11), 3080. doi: 10.3866/PKU.WHXB20101108Zhou, J. M.; Li, H. Y.; Lin, G. D.; Zhang, H. B. Acta Phys. -Chim. Sin. 2010, 26 (11), 3080. doi: 10.3866/PKU.WHXB20101108

    42. [42]

      Beamson, G.; Briggs, D. High Resolution XPS of Organic Polymers The Scienta ESCA300 Database; Wiley: Chichester 1992; pp. 72.

    43. [43]

      Ma, Q.; Zeng, X. X.; Yue, J.; Yin, Y. X.; Zuo, T. T.; Liang, J. Y.; Deng, Q.; Wu, X. W.; Guo, Y. G. Adv. Energy Mater. 2019, 9, 1803854. doi: 10.1002/aenm.201803854

    44. [44]

      Zuo, T. T.; Shi, Y.; Wu, X. W.; Wang, P. F.; Wang, S. H.; Yin, Y. X.; Wang, W. P.; Ma, Q.; Zeng, X. X.; Ye, H.; et al. ACS Appl. Mater. Interfaces 2018, 10, 30065. doi: 10.1021/acsami.8b12986

    45. [45]

      Zhuang, G. R.; Chen, Y. F.; Ross, P. N. Langmuir 1999, 15 (4), 1470. doi: 10.1021/la980454y

    46. [46]

      Zhao, J.; Lu, Z.; Wang, H.; Liu, W.; Lee, H. W.; Yan, K.; Zhuo, D.; Lin, D.; Liu, N.; Cui, Y. J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 8372. doi: 10.1021/jacs.5b04526

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  3
  • 文章访问数:  65
  • HTML全文浏览量:  6
文章相关
  • 发布日期:  2021-01-15
  • 收稿日期:  2020-04-21
  • 接受日期:  2020-05-14
  • 修回日期:  2020-05-14
  • 网络出版日期:  2020-05-20
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