长得像莲藕的它，是个好电池！

编审：Thor

一、 导读

金属锂具有极高的理论比容量(3860 mAh·g^-1)和极低的还原电位(相对于标准氢电极为-3.04 V)，是终极负极材料。锂金属负极(Li metal anode，LMA)的始终面临着重复镀锂/剥离过程的挑战，锂枝晶的无奈和循环过程的体积变化是一直以来的拦路石，因为这既能导致能效降低，又造成安全隐患。

因此，学术界广泛采用构筑三维（3D）结构来作为锂的主体和集流体来减弱枝晶化过程，但，碳材料的疏锂表面又阻碍锂的沉积。

那么，采用空心结构的碳材料并辅以表面改性能否有效呢？

二、 成果背景

近日，来自Advanced Materials 的一篇题为“Lotus-Root-Like Carbon Fibers Embedded with N-Co Nanoparticles for Dendrite-Free Lithium Metal Anodes”的成果，通过自组装策略制备了莲藕状Ni-Co空心棱柱@碳纤维(NCH@CFs)复合材料作为LMA的主体材料，Ni-Co颗粒可以作为有效的成核位点，而氮的存在有效的提升了碳材料的亲锂性，无粘结剂的 NCH@CFs 电极具有较低的锂成核过电位，提高了库仑效率和寿命。

三、 关键创新

1）掺氮碳纤维内外表面均匀分布的Ni-Co颗粒可以作为成核位点；

2） 氮的引入可有效提高碳的亲锂性；

3）莲藕状的高曲率内部空隙可以在纳米尺度上改变电场。

四、 核心数据解读

图1 NCH@CFs制备程序示意图  I)静电纺丝工艺；Ⅱ)N₂保护下的热处理 @ Wiley

图1为莲藕状NCH@CFs的合成示意图。改进沉淀反应得到的Ni-Co乙酸氢氧化物棱柱体(NCP)同聚丙烯腈(PAN)静电纺丝得到前驱体纤维(NCP@PFs)。在惰性气氛下退火后，拓扑转化为分级结构的莲藕状 NCH@CFs。

图2 a，b）NCP@PFs的扫描电镜图像和c）透射电镜图像；d，e）NCH@CFs的扫描电镜图像和f）透射电镜图像 @ Wiley

 图2a的扫描电镜照片显示NCP@PFs纤维的直径均匀，长度为几十微米。此外，NCP前驱体沿长轴方向限域在PAN纤维内（图2b-c）。热处理后的分级纤维经历体积收缩仍保持完好（图2d）。图2e的NCH@CFs的末端展现出莲藕状的多孔结构。图2f的TEM照片进一步揭示了纤维内部的结构。

图3使用不同尺寸NCP制备的NCH@CFs的结构特征 a，b）NCH@CF-0.32的扫描电镜图像和c）透射电镜图像；d，e）NCH@CF-0.64的扫描电镜图像和f)透射电镜图像 @ Wiley

通过改变NCP颗粒大小可以调控中空纤维内部的孔隙。如图3所示，不同长径比和长度的NCP嵌入到了PAN纤维中，形成具有不同内部结构的NCH@CFs。当Ni/Co前驱体的量减少到0.32 g时，NCP颗粒增大，形成长径比更高的孔隙（图3a-c）。当增加到0.64 g时，NCP颗粒变小，形成更致密的NCH@CFs结构（图3d-f）。

图4 a）使用不同电极（Li-NCH@CF, Li-NC@CF, Li-CF和纯锂电池）在电流密度为3 mA cm^-2的对称电池中电镀/剥离金属锂的电压分布；b）在Li-NCH@CF对称电池中，电流密度为1 mA cm^-2时金属锂镀剥的电压分布；c） Li-NCH@CF|LiFePO4和Li-Cu|LiFePO4全电池的循环性能 @ Wiley

在预电沉积容量为12 mAh cm^-2的Li后，在对称电池中评价了不同电极的循环稳定性和电压滞后行为（图4a）。当电流为3 mA cm^-2时，在固定面电容为3 mAh cm^-2时，纯锂电极电压上升最快，表现为不稳定的 SEI 层和苔藓状枝晶生长。然而，Li-NCH@CFs纽扣电池在500 h内表现出优异的循环能力，电压平台平坦，最小过电位约为23 mV。Li-NCH@CF电极在较小的电流下1 mA cm^-2表现出更稳定的性能，即使在循环1200 h后也没有观察到严重的电压振荡（图4b）。Li-NCH@CF|LiFePO₄全电池在长循环后表现出稳定的放电曲线和平台。如图4c所示，NCH@CF主体材料能够实现150个周期的稳定循环，容量保持率高达90%。

五、 成果启示

调控碳基形貌，加持表面改性，亲锂有效；独特形貌调控电荷存留，颜值改变导致性能提升。

文献链接

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