磁电化学协同效应的亲锂高熵合金实现了耐用的锂金属负极

时间:2025年11月11日
来源:Energy Storage Materials

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本研究设计并合成了一种高熵合金/碳 spheres(HEA/CS)锂宿主材料,通过磁电化学协同效应调控锂离子分布,抑制枝晶生长,促进均匀沉积,显著提升锂金属电池的循环寿命(4200小时)和倍率性能,并验证了其在实际电池中的应用潜力。

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金琪|韩凤凤|张丽荣|宋浩源|冯雷润|吴莉莉|张西天|李峰
教育部光子与电子带隙材料重点实验室,哈尔滨师范大学物理与电子工程学院,哈尔滨,150025,中国

摘要

锂(Li)是一种被广泛研究的用于高能量密度电池的电极材料。然而,其较差的稳定性——表现为不受控制的锂枝晶生长和无限体积膨胀——严重阻碍了锂金属电池的商业化。在这项研究中,我们设计、合成并表征了一种亲锂高熵合金/碳球(HEA/CS)作为锂电极的载体,该载体能够同时抑制锂枝晶的生长并促进锂在空间上的均匀沉积。亲锂的HEA提供了丰富的活性位点、多条锂离子(Li⁺)传输路径以及梯度结合能,从而实现选择性锂吸附并促进低势垒的均匀锂成核。此外,HEA/CS载体周围的磁电耦合场通过磁流体动力学效应调节锂离子在载体内的分布,进一步促进了锂的均匀沉积。HEA选择性地吸附双(三氟甲磺酰)亚胺阴离子,促进其优先还原形成富含LiF的固体电解质界面,从而加速锂的沉积过程。结果表明,采用Li-HEA/CS电极的对称电池具有长达4200小时的超长循环寿命和优异的倍率性能。此外,Li-HEA/CS||LiFePO4和Li-HEA/CS||LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2软包电池也表现出优异的循环稳定性。这项工作展示了一种通过磁电协同作用提高锂稳定性的可行策略,拓宽了锂金属电池的应用前景。

引言

向低碳经济的转型加剧了对具有高比能量和长循环寿命的可充电电池的需求[[1], [2], [3], [4]]。锂金属具有超高的理论比容量(3860 mAh g⁻¹)和最低的氧化还原电位(-3.04 V vs. 标准氢电极),是一种有前景的负极材料[5]。然而,锂金属电池(LMBs)的商业化受到锂枝晶不受控制和体积波动引起的容量急剧下降及安全问题的阻碍[[6], [7], [8]]。为了实现稳定的LMBs,调控锂离子的沉积过程(包括其成核和生长)以抑制枝晶并减轻体积膨胀至关重要。
近年来,人们开发了多种策略来提高锂负极的稳定性,包括空间限制[9]、优化阴离子吸附[10]、增强界面稳定性[11]以及使用三维亲锂载体[12]。优化三维亲锂载体的界面和结构设计是实现锂离子均匀成核和沉积的有效方法[[13], [14], [15]]。锂负极载体通常是通过将亲锂材料(如金属纳米颗粒[16]、杂原子[17]、过渡金属氧化物/硫化物[18]和MXenes[19])与三维导电支架(如金属泡沫或碳材料)结合而成。然而,传统的亲锂材料往往存在均匀性差、副反应多以及亲锂位点有限的问题,这限制了其实际应用[20]。最近,高熵合金(HEAs)作为一种由五种或更多金属元素组成的均匀固溶相,成为能源存储的有希望的候选材料[21]。与传统单金属或二元合金不同,HEAs通过元素组合提供了可调的性能[[22], [23], [24], [25]],利用“协同效应”提供丰富的锂离子吸附位点和多样的离子传输路径[[26], [27], [28]]。因此,HEAs有望成为理想的锂金属载体材料。
尽管在锂负极载体中加入了亲锂材料,但锂的沉积仍然存在空间不均匀的问题,即锂在载体顶部(靠近电解质处)的沉积速度比在底部(靠近集流体处)快(图1a)。主要挑战包括:(1)复杂的孔结构阻碍了锂离子向底部区域的传输;(2)层流导致电解质分布不均,使底部区域缺乏锂离子[29]。载体顶部的过度锂沉积会导致应力分布不均,从而引发载体开裂和锂沉积不均匀。虽然在载体内部构建亲锂梯度(亲脂梯度[30]或亲锂-疏锂梯度[31])可以促进锂离子快速传输到底部,但精确控制这种多级梯度结构在制备过程中面临重大挑战。
另一种方法是利用磁场将锂离子驱动到三维锂载体的底部区域[[32], [33], [34]]。在洛伦兹力的作用下,锂离子的轨迹发生偏转,从而实现重新分布(图1b)[[35], [36], [37]]。将磁场限制在负极区域可以最小化对整体锂离子传输的干扰。磁性纳米材料(如Fe-Co-Ni合金)产生的微磁场具有约20纳米的局部范围,无需外部场施加即可有效调节锂离子的传输行为[38]。鉴于上述考虑,基于Fe-Co-Ni三元系统的HEAs可能是最有前途的锂金属负极载体材料。
在本研究中,通过在直径约580纳米的空心碳球表面原位生长PtCuFeCoNi高熵合金(HEA)纳米颗粒制备了一种亲锂磁性材料(记为HEA/CS)(图S1)。然后将HEA/CS粉末涂覆在碳纸上作为锂负极载体。得益于独特的协同效应,HEA提供了丰富的亲锂位点和梯度吸收能,使得锂的成核更加均匀且势垒较低。载体产生的微磁场中的洛伦兹力增强了锂离子向底部的传输,同时抑制了枝晶生长。此外,HEA通过与TFSI⁻阴离子的相互作用促进了富含LiF的固体电解质界面(SEI)的形成,从而实现均匀的锂沉积。Li||HEA/CS电极在1 mA cm⁻²的电流密度下实现了99.88%的超高效库仑效率。Li-HEA/CS负极在对称电池中表现出超过4200小时的超长循环稳定性和优异的倍率性能。当与LiFePO4(LFP)正极配对时,全电池在800次循环后仍保持90.1%的容量保持率。基于这一策略,制备了一种Li-HEA/CS||NCM811软包电池(4.4 Ah),其能量密度为410 Wh kg⁻¹,在120次循环后容量保持率仍达到83%。

HEA/CS载体的制备与表征

图S2展示了HEA/CS载体的合成和应用过程。首先,通过连续的水热和退火工艺制备了SiO2/CS核壳纳米结构,然后使用NaOH溶液去除SiO2得到空心CS。接下来,将CS浸入H2PtCl6·6H2O、CuCl2·2H2O、FeCl2·4H2O、CoCl2·6H2O和NiCl2·6H2O的混合溶液中,使HEA纳米颗粒均匀生长在CS表面,随后通过热力学驱动的相变完成制备。

结论

设计并合成了亲锂的HEA/CS载体,有效抑制了锂枝晶的生长并确保了锂的均匀沉积。通过协同效应增强了HEA的亲锂性能,并利用HEA调控了锂离子的成核行为。此外,通过数值模拟和原位测试详细揭示了利用微磁场重新分布锂离子的机制。

CRediT作者贡献声明

金琪:撰写 – 审稿与编辑,撰写 – 原稿撰写,实验研究,资金获取,数据分析,概念构思。韩凤凤:方法学研究,数据管理。张丽荣:方法学研究,数据管理。宋浩源:方法学研究,数据分析。冯雷润:数据分析。吴莉莉:撰写 – 审稿与编辑,方法学研究,数据分析。张西天:撰写 – 审稿与编辑,验证,项目管理,

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