Interfacial “Single‐Atom‐in‐Defects” Catalysts Accelerating Li+ Desolvation Kinetics for Long‐Lifespan Lithium‐Metal Batteries

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作者
Jian Wang,Jing Zhang,Jian Wu,Min Huang,Lujie Jia,Linge Li,Yongzheng Zhang,Hongfei Hu,Fangqi Liu,Qinghua Guan,Meinan Liu,Henry Adenusi,Hongzhen Lin,Stefano Passerini
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:35 (39): e2302828-e2302828 被引量:99
标识
DOI:10.1002/adma.202302828
摘要

The lithium-metal anode is a promising candidate for realizing high-energy-density batteries owing to its high capacity and low potential. However, several rate-limiting kinetic obstacles, such as the desolvation of Li+ solvation structure to liberate Li+ , Li0 nucleation, and atom diffusion, cause heterogeneous spatial Li-ion distribution and fractal plating morphology with dendrite formation, leading to low Coulombic efficiency and depressive electrochemical stability. Herein, differing from pore sieving effect or electrolyte engineering, atomic iron anchors to cation vacancy-rich Co1- x S embedded in 3D porous carbon (SAFe/CVRCS@3DPC) is proposed and demonstrated as catalytic kinetic promoters. Numerous free Li ions are electrocatalytically dissociated from the Li+ solvation complex structure for uniform lateral diffusion by reducing desolvation and diffusion barriers via SAFe/CVRCS@3DPC, realizing smooth dendrite-free Li morphologies, as comprehensively understood by combined in situ/ex situ characterizations. Encouraged by SAFe/CVRCS@3DPC catalytic promotor, the modified Li-metal anodes achieve smooth plating with a long lifespan (1600 h) and high Coulombic efficiency without any dendrite formation. Paired with the LiFePO4 cathode, the full cell (10.7 mg cm-2 ) stabilizes a capacity retention of 90.3% after 300 cycles at 0.5 C, signifying the feasibility of using interfacial catalysts for modulating Li behaviors toward practical applications.
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