由于理論比容量超高（3861 mAh g?1）和低氧化還原電位（?3.04 V vs SHE），金屬鋰被認(rèn)為是高能量密度可充電電池最有前途的陽極材料之一。然而，Li枝晶的不可控制生長和固體/電解質(zhì)界面（SEI）層的坍塌導(dǎo)致庫侖效率（CE）低和循環(huán)性能惡化，這在很大程度上限制了Li金屬陽極（LMA）的實際應(yīng)用。
3D多孔碳納米纖維是有效的Li宿主，具有高容量和長壽命。然而，由于Li離子的吸附能力較差，常規(guī)的三維框架很難調(diào)節(jié)電極/電解質(zhì)界面附近的Li離子濃度。值得注意的是，極性官能團等一些具有高吸鋰能力的親鋰物種能夠降低Li成核過電位，促進(jìn)均勻電鍍Li。例如，雜原子摻雜的碳具有良好的親鋰性，可以引導(dǎo)均勻的鋰成核。
此外，鋰表面合金的形成可以為鋰的沉積提供一個穩(wěn)定的界面，這是由于鋰在復(fù)合材料中的擴散系數(shù)增強，導(dǎo)致超低形核過電位。例如，從Ag-Li二元相圖(圖1A)可以看出，在Li原子百分?jǐn)?shù)的很大范圍內(nèi)可以形成一系列固溶體。Ag納米粒子在Li中具有高溶解度的特性，可以與Li反應(yīng)形成固溶界面，從而降低了Li的成核能，從而幫助向內(nèi)生長鍍Li，同時避免表面沉積。而Cu-Li二元圖只有一個固溶區(qū)。在Li沉積過程中，Li枝晶會在平面Cu上生長(圖1B)，導(dǎo)致CE的下降。雖然上述策略已被提出并證明可以有效抑制樹枝狀鋰的生長，但綜合了多種優(yōu)勢(如三維大孔結(jié)構(gòu)、親鋰位點和固溶界面)的混合結(jié)構(gòu)設(shè)計卻很少被報道。
南洋理工大學(xué)樓雄文教授在Science Advances發(fā)表了成果，將上述三種優(yōu)勢結(jié)合在一起，合成了嵌上Ag納米粒子的、N摻雜的、含大孔的碳纖維，將其作為鋰金屬的宿主。由于具有以下多種優(yōu)勢：
(i) 具有大表面積的3D大孔導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，有效地降低局部電流密度；
(ii) 可伸縮和穩(wěn)定的骨架，以緩沖長期循環(huán)中的壓縮應(yīng)力；
(iii) 大孔結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)在大電流運行時的快速體積變化；
(iv) 親鋰的氮摻雜碳位可均勻化Li沉積并引導(dǎo)晶核分布；
可以通過Ag@CMF載體有效調(diào)控Li沉積特性。Ag@CMF復(fù)合材料能夠在不同電流密度下進(jìn)行500多次高CE、無枝晶Li電鍍/剝離行為。Ag@CMFs-Li對稱電池在超過10 mA cm?2的超高電流密度下表現(xiàn)出優(yōu)越的倍率能力和穩(wěn)定的循環(huán)性能（300小時）。此外，當(dāng)該陽極與LiFePO4 (LFP)陰極耦合時，Ag@CMFs-Li//LFP全電池也表現(xiàn)出高倍率性能和長期循環(huán)壽命（250圈，容量保持70%）。
圖1. Ag-Li二元相圖及Li沉積行為示意圖。(A) Ag-Li二元相圖。(B)鋰在平面銅箔上沉積。(C)鋰在Ag@CMFs上沉積
圖2. 材料的制備策略與表征。(A) Ag@CMFs合成示意圖。SiO2納米球的(B-E)SEM和(F-I)TEM；(C,G) SiO2@Ag納米球，(D,H) SiO2@Ag@PAN纖維，(E,I) SiO2@Ag@carbon纖維
圖5. 不同電極的對稱電池和與LFP組成全電池的性能
A highly stable lithium metal anode enabled by Ag nanoparticle?embedded nitrogen-doped carbon macroporous fibers. Sci Adv 7 (21), eabg3626.
DOI: 10.1126/sciadv.abg3626
http://advances.sciencemag.org/content/7/21/eabg3626
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