上海交大《AFM》：抑制锂枝晶生长！氮氧共掺杂碳纳米片阵列

锂金属负极在下一代高能量密度电池中具有巨大的潜力。然而，锂金属电池充放电过程中的低库仑效率（CE）和锂枝晶生长导致电池循环寿命短，阻碍了其实际应用。近年来，人们发现锂金属电池失效的主要原因是库伦效率低、活性锂消耗或电解质耗尽，而低库伦效率主要是由“死”锂形成引起的，这与金属锂沉积形态有关。因此，研究控制锂离子电镀/剥离行为、减少非活性锂沉积的方法对锂金属电池的实际应用具有重要意义。

上海交通大学和加拿大阿尔伯塔大学的科研人员通过聚合物界面自组装和热解工艺在铜箔上构建了氮氧共掺杂垂直碳纳米片阵列(NOCA@Cu)，作为提高库仑效率和抑制锂枝晶生长的有效载体。得益于大量的垂直多孔通道和丰富的亲锂杂原子掺杂，三维结构NOCA@Cu在碳酸盐电解液和乙醚电解液中，能以可控的方式引导锂的成核和生长，从而无锂枝晶沉积，材料具有高库伦效率和长循环寿命。有限元模拟进一步揭示了垂直碳阵列的结构功能，它不仅指导了有限空间的纳米阵列中的锂离子沉积，而且使整个三维电极中离子浓度和电场均匀分布。相关论文以题目为“N,O-Codoped Carbon Nanosheet Array Enabling Stable Lithium Metal Anode”发表在Advanced Functional Materials上。

原文链接：

https://doi-org.fjny.80599.net/10.1002/adfm.202102354

在本文中，作者通过聚合物界面自组装和碳化在商用铜箔集流体上大面积涂覆聚合物衍生的氮氧共掺杂垂直排列的碳纳米片阵列，其有效三维结构能得到安全和无锂枝晶的锂金属电池。研究发现，铜表面聚合物层的不同取向模式（垂直或水平）对杂原子掺杂和衍生碳的拓扑缺陷有很大的影响。利用无粘结剂的自支撑分级电极、垂直多孔通道和亲锂氮/氧掺杂剂，制备的NOCA@Cu电极中的碳纳米管阵列在有限的空间内能有效承载金属锂，在腐蚀性碳酸盐电解液中，库伦效率高达91-93%，寿命长达600次循环；在乙醚电解液中，库伦效率高达98.5%，稳定循环达1300小时，具有优异的电化学性能，远优于水平碳膜镀铜和原始铜集流体。动态有限元模拟表明，氮氧共掺杂垂直碳纳米片阵列不仅引导金属锂在有限通道中的成核和生长，使其均匀沉积，而且使整个三维电极的离子分布和电场均匀化，实现了金属锂的高度可逆电镀/剥离过程。

此外，铜箔氮氧共掺杂垂直碳纳米片阵列以金属锂为负极，与商用正极（LiFePO₄）匹配使用，组装成全电池，电池表现出高容量和稳定的循环性能，使金属锂的寿命超过400次循环，容量保持率达到100%，库伦效率接近100%，超过了纯铜基体的金属锂负极的寿命。研究结果表明，增加垂直碳阵列的高度可以在更高的电流下获得更稳定的循环性能。

NOCA@Cu基体因成本低、可规模化和效率高被认为是一种很有前途的锂金属电池负极材料，这种在铜箔上构建垂直碳纳米片阵列的方法也可应用于其他金属电池系统，为构建低成本聚合物衍生的三维碳负极向金属电池实际应用方向发展开辟了新的途径。（文：李澍）

图1NOCA@Cu的合成与表征

图2碳酸盐或乙醚电解液中不同基体上金属锂的电镀/剥离行为

图3金属锂沉积形态

图4锂金属电池的金属锂形态、锂离子和电场模拟

图5金属锂基全电池的电化学性能