隨著便攜式電子產品和電動汽車的不斷髮展，迫切需要高能量密度的鋰離子電池（LIBs）。然而，
當前的石墨負極和鋰氧化物正極的容量已逐漸接近其理論極限。為了進一步提高能量密度，必須使用具有最高理論比容量（3860 mAh g-1）和最低氧化還原電勢（-3.04 V）的鋰負極代替LIBs中容量為372 mAh g-1的石墨負極。當鋰與硫（Li–S電池），氧氣（Li–O2電池），或高比能嵌入型正極匹配時，鋰金屬電池（LMBs）的能量密度會更高。然而，LMBs的實際應用仍面臨著鋰枝晶的挑戰，會穿透隔膜並導致短路。此外，死鋰的形成和固體電解質界面相（SEI）的形成會消耗大量的鋰和電解液，導致極低的庫侖效率，並且電池循環會迅速衰減。到目前為止，許多抑制鋰枝晶的策略主要依賴於電解質優化、人工SEI保護和三維集流體的合成。
近日，美國馬里蘭大學王春生教授和Chongyin Yang通過鋰化表面含氟的介孔碳微球（MCMB-F）,從而形成富LiF的固態電解質界面相（SEI），進一步抑制了枝晶生長和提高了庫倫效率。相關論文以題為“A Highly Reversible,Dendrite-Free Lithium Metal Anode Enabled by a Lithium-Fluoride-EnrichedInterphase”發表在Adv. Mater.上
論文鏈接
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/aenm.201903993
在本文的研究中，作者通過鋰化表面已經預氟化的石墨，在石墨上建立了一種富LiF的SEI層。同時氟化石墨作為一種電池中經常使用的正極材料，鋰化後可在石墨表面形成不可逆LiF。而且，將GF與熔融的Li結合，得到共包覆的LiF,甚至可以使鋰金屬負極在空氣中穩定。作者通過調節氟化溫度和時間，對商業化的碳微球（MCMB）氟化，得到最優的氟化碳微球（MCMB-F）。
其中，MCMB石墨的最外層是高度氟化的，而其內部部分仍保持石墨結構不變。由圖1b可知，在MCMB-F鋰化過程中，表面氟化石墨的體積變化可以忽略不計，保證了一個完整的富含LiF的SEI膜。採用含LiF包覆的石墨作為鋰沉積的集流體，擁有較高的界面能，有效地促進了鋰金屬在表面平行生長，同時防止了鋰的垂直滲透。鋰金屬的生長模式被有效地改變為無枝晶的大晶粒，表面光滑，結構緻密。採用MCMB-F作為鋰金屬負極，最小化了電解液的消耗和金屬鋰的損失。
圖1.金屬鋰在銅箔和表面氟化碳微球（MCMB-F）上電化學沉積過程的示意圖。
基於製備的MCMB-F負極在FEC基電解液中，當放電容量為1.2 mAh cm-2時，能夠在25個循環內實現高於99.2%的庫倫效率。通過預鋰化製備的MCMB-F電極（Li@MCMB-F），同時匹配商用化LiFePO4正極，當正負極（P/N）容量比為1：1，LiFePO4/Li@MCMB-F電池能夠在2.4 mAh cm-2的高面積容量下循環110次，每圈容量衰減僅為0.01%。
圖2.MCMB和MCMB-F電極在半電池中的電化學性能
圖3.在MCMB和MCMB-F電極循環100次循環後鋰沉積的SEM圖像和相應的XPS圖譜
圖4.MCMB-F電極全電池電化學性能
本文中製備的氟化MCMB-F，經第一次鋰化後形成富LiF的SEI膜，具有電子絕緣和高表面能，促進了整個循環過程中的無枝晶沉積，不僅提高了庫倫效率，而且提高了電池系統的安全性。氟化工藝是一種通用的方法，具有在其他方面應用的潛力，MCMB-F負極的設計為構建具有高庫倫效率和無枝晶負極提供了一條有效的途徑。
閱讀更多 材料material 的文章
