金属锂负极的成核机制与载体修饰

邱晓光 刘威 刘九鼎 李俊志 张凯 程方益

引用本文: 邱晓光, 刘威, 刘九鼎, 李俊志, 张凯, 程方益. 金属锂负极的成核机制与载体修饰[J]. 物理化学学报, 2021, 37(1): 2009012-0. doi: 10.3866/PKU.WHXB202009012 shu
Citation:  Qiu Xiaoguang, Liu Wei, Liu Jiuding, Li Junzhi, Zhang Kai, Cheng Fangyi. Nucleation Mechanism and Substrate Modification of Lithium Metal Anode[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2021, 37(1): 2009012-0. doi: 10.3866/PKU.WHXB202009012 shu

金属锂负极的成核机制与载体修饰

    作者简介:




    程方益,南开大学杰出教授。2009年在南开大学化学学院获博士学位后留校,2009、2011、2016年分别被聘为讲师、副教授、研究员。从事能源材料、先进电池、电催化研究;
    通讯作者: 程方益, fycheng@nankai.edu.cn
  • 基金项目:

    国家重点研发计划(2017YFA0206702, 2016YFA0202500), 国家自然科学基金(21925503, 21835004)和中国科协青年人才托举工程项目(2019QNRC001)资助

摘要: 金属锂具有电位低、比容量高等突出优点,是极具吸引力的下一代高能量密度电池的负极材料,然而存在枝晶、死锂、副反应严重、库伦效率低、循环稳定性差等问题,限制了其实际应用。金属锂负极的成核是电化学沉积过程中的重要步骤,锂在集流体或导电载体上的均匀成核和稳定生长对于抑制枝晶死锂、提高充放电效率和循环性能具有关键作用。本文从成核机制与载体效应的角度概述了锂金属负极的研究进展,介绍了锂成核驱动力、异相成核模型、空间电荷模型等内容,分析了锂核尺寸及分布与过电位和电流密度的关系,并通过三维载体分散电流密度、异相晶核/电场诱导成核、晶格匹配等方面的研究实例讨论了载体修饰对锂负极的性能提升。

English

    1. [1]

      Liu, J.; Bao, Z.; Cui, Y.; Dufek, E. J.; Goodenough, J. B.; Khalifah, P.; Li, Q.; Liaw, B. Y.; Liu, P.; Manthiram, A.; et al. Nat. Energy 2019, 4, 180. doi: 10.1038/s41560-019-0338-x

    2. [2]

      Liu, Y.; Zhu, Y.; Cui, Y. Nat. Energy 2019, 4, 540. doi: 10.1038/s41560-019-0405-3

    3. [3]

      Wang, L.; Wu, Z.; Zou, J.; Gao, P.; Niu, X.; Li, H.; Chen, L. Joule 2019, 3, 2086. doi: 10.1016/j.Joule2019.07.011

    4. [4]

      Goodenough, J. B.; Kim, Y. Chem. Mater. 2010, 22, 587. doi: 10.1021/cm901452z

    5. [5]

      Cheng, F.; Liang, J.; Tao, Z.; Chen, J. Adv. Mater. 2011, 23, 1695. doi: 10.1002/adma.201003587

    6. [6]

      Martin, C.; Genovese, M.; Louli, A. J.; Weber, R.; Dahn, J. R. Joule 2020, 4, 1296. doi: 10.1016/j.Joule2020.04.003

    7. [7]

      Zhang, P.; Zhao, Y.; Zhang, X. Chem. Soc. Rev. 2018, 47, 2921. doi: 10.1039/c8cs00009c

    8. [8]

      Qu, G.; Tan, J.; Wu, H.; Yu, Z.; Zhang, S.; Liu, G.; Zheng, G. W.; Tian, B.; Su, C. ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 23867. doi: 10.1021/acsami.0c03621

    9. [9]

      朱高龙, 赵辰孜, 袁洪, 南皓雄, 赵铂琛, 侯立鹏, 何传新, 刘全兵, 黄佳琦.物理化学学报, 2021, 37, 2005003. doi: 10.3866/PKU.WHXB202005003Zhu, G. L.; Zhao, C. Z.; Yuan, H.; Nan, H. X.; Zhao, B. C.; Hou, L. P.; He, C. X.; Liu, Q. B.; Huang, J. Q. Acta Phys. -Chim. Sin. 2021, 37, 2005003. doi: 10.3866/PKU.WHXB202005003

    10. [10]

      Ghazi, Z. A.; Sun, Z.; Sun, C.; Qi, F.; An, B.; Li, F.; Cheng, H. M. Small 2019, 15, e1900687. doi: 10.1002/smll.201900687

    11. [11]

      Xie, Z.; Wu, Z.; An, X.; Yue, X.; Wang, J.; Abudula, A.; Guan, G. Energy Storage Mater. 2020, 32, 386. doi: 10.1016/j.ensm.2020.07.004

    12. [12]

      Ju, Z.; Nai, J.; Wang, Y.; Liu, T.; Zheng, J.; Yuan, H.; Sheng, O.; Jin, C.; Zhang, W.; Jin, Z.; et al. Nat. Commun. 2020, 11, 488. doi: 10.1038/s41467-020-14358-1

    13. [13]

      Chen, X.; Bai, Y. K.; Zhao, C. Z.; Shen, X.; Zhang, Q. Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 11192. doi: 10.1002/anie.201915623

    14. [14]

      岳昕阳, 马萃, 包戬, 杨思宇, 陈东, 吴晓京, 周永宁.物理化学学报, 2021, 37, 2005012. doi: 10.3866/PKU.WHXB202005012Yue, X, Y.; Ma, C.; Bao, J.; Yang, S, Y.; Chen, D.; Wu, X, J.; Zhou, Y, N. Acta Phys. -Chim. Sin. 2021, 37, 2005012. doi: 10.3866/PKU.WHXB202005012

    15. [15]

      刘凡凡, 张志文, 叶淑芬, 姚雨, 余彦.物理化学学报, 2021, 37, 2006021. doi: 10.3866/PKU.WHXB202006021Liu, F, F.; Zhang, Z, W.; Ye, S, F.; Yao, Y.; Yu, Y. Acta Phys. -Chim. Sin. 2021, 37, 2006021. doi: 10.3866/PKU.WHXB202006021

    16. [16]

      Wang, Z.; Qi, F.; Yin, L.; Shi, Y.; Sun, C.; An, B.; Cheng, H. M.; Li, F. Adv. Energy Mater. 2020, 10, 1903843. doi: 10.1002/aenm.201903843

    17. [17]

      Liu, J.; Wang, Y.; Liu, F.; Cheng, F.; Chen, J. J. Energy Chem. 2020, 42, 1. doi: 10.1016/j.jechem.2019.05.017

    18. [18]

      Chen, J.; Fan, X.; Li, Q.; Yang, H.; Khoshi, M. R.; Xu, Y.; Hwang, S.; Chen, L.; Ji, X.; Yang, C.; et al. Nat. Energy 2020. doi: 10.1038/s41560-020-0601-1

    19. [19]

      Biswal, P.; Stalin, S.; Kludze, A.; Choudhury, S.; Archer, L. A. Nano Lett. 2019, 19, 8191. doi: 10.1021/acs.nanolett.9b03548

    20. [20]

      Thirumalraj, B.; Hagos, T. T.; Huang, C. J.; Teshager, M. A.; Cheng, J. H.; Su, W. N.; Hwang, B. J. J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 18612. doi: 10.1021/jacs.9b10195

    21. [21]

      Pei, A.; Zheng, G.; Shi, F.; Li, Y.; Cui, Y. Nano Lett. 2017, 17, 1132. doi: 10.1021/acs.nanolett.6b04755

    22. [22]

      Xu, W.; Wang, J.; Ding, F.; Chen, X.; Nasybulin, E.; Zhang, Y.; Zhang, J. G. Energy Environ. Sci. 2014, 7, 513. doi: 10.1039/c3ee40795k

    23. [23]

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

    24. [24]

      Rosso, M.; Brissot, C.; Teyssot, A.; Dolle, M.; Sannier, L.; Tarascon, J. M.; Bouchetc, R.; Lascaud, S. Electrochim. Acta 2006, 51, 5334. doi: 10.1016/j.electacta.2006.02.004

    25. [25]

      Ely, D. R.; García, R. E. J. Electrochem. Soc. 2013, 160, A662. doi: 10.1149/1.057304jes

    26. [26]

      Sun, X.; Zhang, X.; Ma, Q.; Guan, X.; Wang, W.; Luo, J. Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 6665. doi: 10.1002/anie.201912217

    27. [27]

      Pande, V.; Viswanathan, V. ACS Energy Lett. 2019, 4, 2952. doi: 10.1021/acsenergylett.9b02306

    28. [28]

      Chazalviel, J. N. Phys. Rev. A 1990, 42, 7355. doi: 10.1103/PhysRevA.42.7355

    29. [29]

      刘忠范.物理化学学报, 2019, 35, 1293. doi: 10.3866/PKU.WHXB201906040Liu, Z, F. Acta Phys. -Chim. Sin. 2019, 35, 1293. doi: 10.3866/PKU.WHXB201906040

    30. [30]

      Shi, Y.; Wang, Z.; Gao, H.; Niu, J.; Ma, W.; Qin, J.; Peng, Z.; Zhang, Z. J. Mater. Chem. A 2019, 7, 1092. doi: 10.1039/c8ta09384a

    31. [31]

      Zhang, D.; Dai, A.; Wu, M.; Shen, K.; Xiao, T.; Hou, G.; Lu, J.; Tang, Y. ACS Energy Lett. 2019, 5, 180. doi: 10.1021/acsenergylett.9b01987

    32. [32]

      Zhai, P.; Wei, Y.; Xiao, J.; Liu, W.; Zuo, J.; Gu, X.; Yang, W.; Cui, S.; Li, B.; Yang, S.; Gong, Y. Adv. Energy Mater. 2020, 10, 1903339. doi: 10.1002/aenm.201903339

    33. [33]

      Yang, C. P.; Yin, Y. X.; Zhang, S. F.; Li, N. W.; Guo, Y. G. Nat. Commun. 2015, 6, 8058. doi: 10.1038/ncomms9058

    34. [34]

      张强.物理化学学报, 2017, 33, 1275. doi: 10.3866/PKU.WHXB201705021Zhang, Q. Acta Phys. -Chim. Sin. 2017, 33, 1275. doi: 10.3866/PKU.WHXB201705021

    35. [35]

      Wang, H.; Wu, J.; Yuan, L.; Li, Z.; Huang, Y. ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 28337. doi: 10.1021/acsami.0c08029

    36. [36]

      Shi, H.; Zhang, C. J.; Lu, P.; Dong, Y.; Wen, P.; Wu, Z. S. ACS Nano 2019, 13, 14308. doi: 10.1021/acsnano.9b07710

    37. [37]

      Meng, J. K.; Wang, W. W.; Yue, X. Y.; Xia, H. Y.; Wang, Q. C.; Wang, X. X.; Fu, Z.; Wu, X. J.; Zhou, Y. N. J. Power Sources 2020, 465, 228291. doi: 10.1016/j.jpowsour.2020.228291

    38. [38]

      Hwang, C.; Song, W. J.; Song, G.; Wu, Y.; Lee, S.; Son, H. B.; Kim, J.; Liu, N.; Park, S.; Song, H. K. ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 29235. doi: 10.1021/acsami.0c05065

    39. [39]

      Zhang, R.; Wang, N.; Shi, C.; Liu, E.; He, C.; Zhao, N. Carbon 2020, 161, 198. doi: 10.1016/j.carbon.2020.01.077

    40. [40]

      Yun, Q.; He, Y. B.; Lv, W.; Zhao, Y.; Li, B.; Kang, F.; Yang, Q. H. Adv. Mater. 2016, 28, 6932. doi: 10.1002/adma.201601409

    41. [41]

      Zhang, D.; Dai, A.; Fan, B.; Li, Y.; Shen, K.; Xiao, T.; Hou, G.; Cao, H.; Tao, X.; Tang, Y. ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 31542. doi: 10.1021/acsami.0c09503

    42. [42]

      Yan, K.; Lu, Z.; Lee, H. W.; Xiong, F.; Hsu, P. C.; Li, Y.; Zhao, J.; Chu, S.; Cui, Y. Nat. Energy 2016, 1, 16010. doi: 10.1038/nenergy.2016.10

    43. [43]

      崔屹.物理化学学报, 2019, 35, 661. doi: 10.3866/PKU.WHXB201809053Cui, Y. Acta Phys. -Chim. Sin. 2019, 35, 661. doi: 10.3866/PKU.WHXB201809053

    44. [44]

      Yang, G.; Chen, J.; Xiao, P.; Agboola, P. O.; Shakir, I.; Xu, Y. J. Mater. Chem. A 2018, 6, 9899. doi: 10.1039/c8ta02810a

    45. [45]

      Guo, H.; Yao, Y.; Cheng, J.; Chen, L.; Dai, L.; Zhang, L.; Si, P.; Ci, L. ACS Appl. Energy Mater. 2020. doi: 10.1021/acsaem.0c01316

    46. [46]

      Meng, Q.; Deng, B.; Zhang, H.; Wang, B.; Zhang, W.; Wen, Y.; Ming, H.; Zhu, X.; Guan, Y.; Xiang, Y.; et al. Energy Storage Mater. 2019, 16, 419. doi: 10.1016/j.ensm.2018.06.024

    47. [47]

      Liu, H.; Chen, X.; Cheng, X. B.; Li, B. Q.; Zhang, R.; Wang, B.; Chen, X.; Zhang, Q. Small Methods 2019, 3, 2366. doi: 10.1002/smtd.201800354

    48. [48]

      Shin, W. K.; Kannan, A. G.; Kim, D. W. ACS Appl. Mater. Interfaces 2015, 7, 23700. doi: 10.1021/acsami.5b07730

    49. [49]

      Wang, T.; Zhai, P.; Legut, D.; Wang, L.; Liu, X.; Li, B.; Dong, C.; Fan, Y.; Gong, Y.; Zhang, Q. Adv. Energy Mater. 2019, 9, 1804000. doi: 10.1002/aenm.201804000

    50. [50]

      Li, K.; Hu, Z.; Ma, J.; Chen, S.; Mu, D.; Zhang, J. Adv. Mater. 2019, 31, e1902399. doi: 10.1002/adma.201902399

    51. [51]

      Liu, Y.; Zhang, S.; Qin, X.; Kang, F.; Chen, G.; Li, B. Nano Lett. 2019, 19, 4601. doi: 10.1021/acs.nanolett.9b01567

    52. [52]

      Zhang, N.; Yu, S. H.; Abruña, H. D. Nano Res. 2019, 13, 45. doi: 10.1007/s12274-019-2567-7

    53. [53]

      Feng, W.; Dong, X.; Li, P.; Wang, Y.; Xia, Y. J. Power Sources 2019, 419, 91. doi: 10.1016/j.jpowsour.2019.02.066

    54. [54]

      Zhang, R.; Chen, X.; Shen, X.; Zhang, X. Q.; Chen, X. R.; Cheng, X. B.; Yan, C.; Zhao, C. Z.; Zhang, Q. Joule 2018, 2, 764. doi: 10.1016/j.Joule2018.02.001

    55. [55]

      Ke, X.; Liang, Y.; Ou, L.; Liu, H.; Chen, Y.; Wu, W.; Cheng, Y.; Guo, Z.; Lai, Y.; Liu, P.; Shi, Z. Energy Storage Mater. 2019, 23, 547. doi: 10.1016/j.ensm.2019.04.003

    56. [56]

      Kang, H.; Boyer, M.; Hwang, G. S.; Lee, J. W. Electrochim. Acta 2019, 303, 78. doi: 10.1016/j.electacta.2019.02.068

    57. [57]

      Zhang, H.; Liao, X.; Guan, Y.; Xiang, Y.; Li, M.; Zhang, W.; Zhu, X.; Ming, H.; Lu, L.; Qiu, J.; et al. Nat. Commun. 2018, 9, 3729. doi: 10.1038/s41467-018-06126-z

    58. [58]

      Wang, X.; Pan, Z.; Wu, Y.; Ding, X.; Hong, X.; Xu, G.; Liu, M.; Zhang, Y.; Li, W. Nano Res. 2018, 12, 525. doi: 10.1007/s12274-018-2245-z

    59. [59]

      Wu, S.; Zhang, Z.; Lan, M.; Yang, S.; Cheng, J.; Cai, J.; Shen, J.; Zhu, Y.; Zhang, K.; Zhang, W. Adv. Mater. 2018, 30, 1705830. doi: 10.1002/adma.201705830

    60. [60]

      Zhang, C.; Lv, W.; Zhou, G.; Huang, Z.; Zhang, Y.; Lyu, R.; Wu, H.; Yun, Q.; Kang, F.; Yang, Q. H. Adv. Energy Mater. 2018, 8, 1703404. doi: 10.1002/aenm.201703404

    61. [61]

      李锐, 王浩, 付强, 田子玉, 王建旭, 马小健, 杨剑, 钱逸泰.无机材料学报, 2020, 8, 882. doi: 10.15541/jim20190545Li, R.; Wang, H.; Fu Q.; Tian, Z, Y.; Wang, J, X.; Ma, X, J.; Yang, J.; Qian, Y, T. J. Inorg. Mater. 2020, 8, 882. doi: 10.15541/jim20190545

    62. [62]

      Liu, Y.; Zhang, S.; Qin, X.; Kang, F.; Chen, G.; Li, B. Nano Lett. 2019, 19, 4601. doi: 10.1021/acs.nanolett.9b01567

    63. [63]

      Yi, J.; Chen, J.; Yang, Z.; Dai, Y.; Li, W.; Cui, J.; Ciucci, F.; Lu, Z.; Yang, C. Adv. Energy Mater. 2019, 9, 1901796. doi: 10.1002/aenm.201901796

    64. [64]

      Huang, G.; Chen, S.; Guo, P.; Tao, R.; Jie, K.; Liu, B.; Zhang, X.; Liang, J.; Cao, Y. C. Chem. Eng. J. 2020, 395, 125122. doi: 10.1016/j.cej.2020.125122

    65. [65]

      Chen, L.; Fan, X.; Ji, X.; Chen, J.; Hou, S.; Wang, C. Joule 2019, 3, 732. doi: 10.1016/j.Joule2018.11.025

    66. [66]

      Tang, W.; Yin, X.; Kang, S.; Chen, Z.; Tian, B.; Teo, S. L.; Wang, X.; Chi, X.; Loh, K. P.; Lee, H. W.; Zheng, G. W. Adv. Mater. 2018, 30, e1801745. doi: 10.1002/adma.201801745

    67. [67]

      Wang, H.; Cao, X.; Gu, H.; Liu, Y.; Li, Y.; Zhang, Z.; Huang, W.; Wang, H.; Wang, J.; et al. ACS Nano 2020, 14, 4601. doi: 10.1021/acsnano.0c00184

    68. [68]

      Chen, W.; Salvatierra, R. V.; Ren, M.; Chen, J.; Stanford, M. G.; Tour, J. M. Adv. Mater. 2020, e2002850. doi: 10.1002/adma.202002850

    69. [69]

      Du, R.; Jie, Y.; Chen, Y.; Huang, F.; Cai, W.; Liu, Y.; Li, X.; Wang, S.; Lei, Z.; Cao, R. ACS Appl. Energy Mater. 2020, 3, 6692. doi: 10.1021/acsaem.0c00842

    70. [70]

      Jin, S.; Ye, Y.; Niu, Y.; Xu, Y.; Jin, H.; Wang, J.; Sun, Z.; Cao, A.; Wu, X.; Luo, Y. J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 8818. doi: 10.1021/jacs.0c01811

    71. [71]

      Liu, M.; Wang, C.; Cheng, Z.; Ganapathy, S.; Haverkate, L. A.; Unnikrishnan, S.; Wagemaker, M. ACS Mater. Lett. 2020, 2, 665. doi: 10.1021/acsmaterialslett.0c00152

    72. [72]

      Liu, W.; Lin, D.; Pei, A.; Cui, Y. J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 15443. doi: 10.1021/jacs.6b08730

    73. [73]

      Xiong, C.; Wang, Z.; Peng, X.; Guo, Y.; Xu, S.; Zhao, T. J. Mater. Chem. A 2020, 8, 14114. doi: 10.1039/d0ta04302h

    74. [74]

      Cao, Z.; Li, B.; Yang, S. Adv. Mater. 2019, 31, e1901310. doi: 10.1002/adma.201901310

    75. [75]

      Cao, Z.; Zhu, Q.; Wang, S.; Zhang, D.; Chen, H.; Du, Z.; Li, B.; Yang, S. Adv. Funct. Mater. 2019, 30, 1908075. doi: 10.1002/adfm.201908075

    76. [76]

      Dong, L.; Nie, L.; Liu, W. Adv. Mater. 2020, 32, e1908494. doi: 10.1002/adma.201908494

    77. [77]

      Chen, Y.; Yue, M.; Liu, C.; Zhang, H.; Yu, Y.; Li, X.; Zhang, H. Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 1806752. doi: 10.1002/adfm.201806752

    78. [78]

      Steiger, J.; Kramer, D.; Mönig, R. J. Power Sources 2014, 261, 112. doi: 10.1016/j.jpowsour.2014.03.029

    79. [79]

      Lalou, I.; Gkrozou, F.; Meridis, E.; Tsonis, O.; Paschopoulos, M.; Syrrou, M. Eur. J. Obstet. Gynecol. Reprod. Biol. 2019, 236, 116. doi: 10.1016/j.ejogrb.2019.03.004

    80. [80]

      Li, Y.; Li, Y.; Pei, A.; Yan, K.; Sun, Y.; Wu, C. L.; Joubert, L. M.; Chin, R.; Koh, A. L.; Yu, Y. Science 2017, 358, 506. doi: 10.1126/science.aam6014

    81. [81]

      Kim, Y. J.; Kwon, S. H.; Noh, H.; Yuk, S.; Lee, H.; Jin, H. S.; Lee, J.; Zhang, J. G.; Lee, S. G.; Guim, H.; Kim, H. T. Energy Storage Mater. 2019, 19, 154. doi: 10.1016/j.ensm.2019.02.011

    82. [82]

      Gu, Y.; Xu, H. Y.; Zhang, X. G.; Wang, W. W.; He, J. W.; Tang, S.; Yan, J. W.; Wu, D. Y.; Zheng, M. S.; Dong, Q. F.; Mao, B. W. Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 3092. doi: 10.1002/anie.201812523

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  0
  • 文章访问数:  57
  • HTML全文浏览量:  6
文章相关
  • 发布日期:  2021-01-15
  • 收稿日期:  2020-09-02
  • 接受日期:  2020-09-23
  • 修回日期:  2020-09-22
  • 网络出版日期:  2020-10-09
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