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南开大学陈军院士,最新Angew!
时间:2026-02-18 04:28:08
南开大学陈军院士,最新Angew!
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南开大学陈军院士团队在《Angewandte Chemie International Edition》发表最新研究,通过调控集流体晶面实现锂金属电池无枝晶沉积。研究以单晶铜箔(s-Cu(100))为平台,揭示了集流体晶面与固体电解质界面相(SEI)组成的关联机制,为高性能锂金属电池设计提供了新策略。研究背景与核心问题锂金属电池因高理论容量(3860 mAh g?1)和低电化学电位(-3.04 V vs. SHE)被视为下一代储能技术的理想选择。然而,固体-电解质界面相(SEI)不稳定导致电解质持续分解,锂枝晶不受控生长引发短路和热失控,严重阻碍其商业化应用。传统多晶铜集流体(p-Cu)表面晶面取向杂乱,形成的SEI以有机成分为主,机械稳定性差,易破裂并诱发枝晶。关键发现与创新点晶面调控SEI组成理论计算(DFT)表明,Cu(100)晶面对阴离子(如TFSI?、PF??、FSI?、ClO??)的吸附能力显著强于(111)和(100)晶面。阴离子优先参与内亥姆霍兹层(IHP)形成,诱导富无机SEI(如LiF)生成,其机械强度和离子导电性优于有机主导的SEI。实验验证:s-Cu(100)表面SEI中LiF含量较p-Cu提高2倍以上,杨氏模量达4.98 GPa(p-Cu仅为2.34 GPa),均匀性显著提升。图5:ToF-SIMS深度分析显示s-Cu(100)表面SEI富集LiF,C2HO?(有机成分)含量更低。单晶铜箔制备技术开发拉伸应力辅助热处理法,通过调控应力实现晶面定向转化。表征结果:XRD、EBSD和HAADF-STEM证实,施加100 N cm?2应力可获得高纯度[100]取向单晶铜箔(s-Cu(100)),其极图呈现集中斑点,IPF轮廓强度显著高于多晶铜。图2:拉伸应力诱导晶面从(111)向(100)转变,最终获得高质量s-Cu(100)。无枝晶锂沉积的普适性在LiTFSI、LiFSI、LiPF?、LiClO?等多种电解质中,s-Cu(100)均实现均匀平面锂沉积,而p-Cu和s-Cu(111)表面枝晶严重。机理:富无机SEI抑制枝晶生长,剥离后表面无“死锂”残留,循环50次后SEI仍保持完整。图3:s-Cu(100)表面锂沉积呈均匀平面结构,无枝晶形成。电化学性能突破半电池测试Li||s-Cu(100)电池在1 M LiTFSI/DOL-DME电解质中,平均库仑效率(CE)达99.17%,循环寿命超800次(p-Cu电池200次内失效)。全电池与软包电池验证LiFePO?(LFP)全电池:s-Cu(100)@Li负极循环540次,容量保持率显著高于p-Cu@Li(91次失效)和s-Cu(111)@Li(198次失效)。Ah级软包电池:LFP体系:初始容量1.67 Ah,能量密度195 Wh kg?1,低N/P比(2.6)下循环100次后容量保持率88.89%。NCM811体系:可逆容量1.3 Ah,极低N/P比(~2)和稀薄电解质(2.4 g Ah?1)下稳定循环150次。图6:s-Cu(100)@Li||NCM811软包电池在低N/P比和稀薄电解质条件下循环稳定性优异。研究意义与展望该工作首次揭示了集流体晶面通过调控SEI成分实现锂沉积行为控制的机制,提出的晶面工程策略具有普适性,为解决锂金属电池枝晶问题提供了新范式。未来研究可进一步探索其他金属集流体(如镍、锌)的晶面调控潜力,以及规模化制备单晶集流体的工艺优化。文献信息:The Dependence of Solid Electrolyte Interphase on the Crystal Facet of Current Collector in Li Metal Battery, Angewandte Chemie International Edition (2024).DOI: 10.1002/anie.202407064
时间:2026-02-18 04:28:12
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