南京航空航天大學(xué)張校剛團隊Angew：在銅箔上直接生長(cháng)MOF多晶膜助力長(cháng)壽命無(wú)負極鋰金屬電池

第一作者：巫海洋 通訊作者：張校剛、黃鵬 通訊單位：南京航空航天大學(xué)、江蘇師范大學(xué) 論文DOI：10.1002/anie.202417209 群文速覽 無(wú)負極鋰金屬電池(AFLMB)被認為是下一代先進(jìn)儲能技術(shù)，但是鋰在銅箔上較低的沉積剝離可逆性限制了它的進(jìn)一步應用。通過(guò)金屬有機框架(MOF)來(lái)改善親鋰性并優(yōu)化銅表面已被證明是一個(gè)可行的方向。然而現階段粘結劑的大量使用會(huì )覆蓋MOF的活性晶面，這在很大程度上限制了MOF性能的發(fā)揮。在此背景下，本工作將金屬有機框架晶體膜技術(shù)引入AFLMB領(lǐng)域，通過(guò)外延生長(cháng)策略在銅箔表面構筑了一層致密的無(wú)縫隙的HKUST-1多晶膜。與傳統的MOF功能層相比，無(wú)粘結劑的多晶膜能夠完全暴露親鋰位點(diǎn)。這可以顯著(zhù)降低成核過(guò)電勢并優(yōu)化鋰的沉積質(zhì)量，使鋰鍍層更加致密并消除枝晶的影響。當與磷酸鐵鋰(LFP)正極匹配時(shí)，基于HKUST-1膜的LMB表現出了優(yōu)秀的倍率性能和循環(huán)穩定性，產(chǎn)生160 mAh g-1的高可逆容量，并在1100次循環(huán)后保持80.9%的容量保持率。 背景介紹 雖然AFLMB具有高能量密度和結構簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，但是鋰在銅箔上較低的沉積剝離可逆性限制了它的進(jìn)一步應用。一方面，鋰在銅箔上的不均勻沉積極易導致枝晶的生長(cháng)，在降低電池庫侖效率的同時(shí)，也帶來(lái)了刺穿隔膜的風(fēng)險，這會(huì )導致嚴重的安全隱患。另一方面，枝晶所提供的高比表面積會(huì )加速電解液的分解，在長(cháng)期循環(huán)中這些電解質(zhì)分解產(chǎn)物會(huì )鈍化電極，導致電池損壞。因此，實(shí)現AFLMB的前提之一是最大限度地提高鋰沉積/剝離的可逆性和在銅集流體上的利用率。 為了實(shí)現這一目標，人們付出了很大努力來(lái)預處理銅集流體，以期達到改善親鋰性并優(yōu)化鋰初始沉積形態(tài)的目的。在最近報道的工作中，通過(guò)金屬有機框架(MOF)功能層修飾銅集流體這一方案得到了廣泛關(guān)注。得益于MOF獨特的親鋰性，這些基于MOF功能層的AFLMB均表現出了顯著(zhù)的性能提升。但是從MOF的角度看，這背后似乎還有很大的提升空間。大多數MOF功能層的構筑依賴(lài)PVDF和PTFE等粘結劑的使用，這些粘結劑會(huì )附著(zhù)在MOF表面覆蓋活性位點(diǎn)并降低其功能性。但問(wèn)題是，如果不使用粘結劑則很難在銅箔表面構筑一層完全致密的MOF膜層。這會(huì )導致鋰離子從MOF的縫隙處沉積到銅箔表面，繼而引起枝晶