Polymer-Stabilized Liquid Metal Nanoparticles as a Scalable Current Collector Engineering Approach Enabling Lithium Metal Anodes

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作者
Tong Liu,Xinsheng Wu,Shang Zhu,Francesca Lorandi,Longchang Ni,Sipei Li,Mingkang Sun,Brian P. Bloom,David H. Waldeck,Venkatasubramanian Viswanathan,Jay Whitacre,Krzysztof Matyjaszewski
出处
期刊:ACS applied energy materials [American Chemical Society]
卷期号:5 (3): 3615-3625 被引量:15
标识
DOI:10.1021/acsaem.1c04106
摘要

Dendrites and dead lithium formation over prolonged cycling have long been challenges that hinder the safe implementation of metallic Li anodes. Herein, we employ polymer-stabilized liquid metal nanoparticles (LM-P NPs) of eutectic gallium indium (EGaIn) to create uniform Li nucleation sites enabling homogeneous lithium electrodeposition. Block copolymers of poly(ethylene oxide) and poly(acrylic acid) (PEO- b -PAA) were grafted onto the EGaIn surface, forming stabilized, well-dispersed NPs. Using a scalable spray coating approach, LM-P NPs were fabricated on copper current collectors, providing lithiophilic PEO sites and interactive carboxyl groups to guide Li deposition. The Li-EGaIn alloying process greatly reduced the Li + diffusion barrier, enabling fast Li transport through the coating layer, resulting in decreased nucleation overpotential. Therefore, about five times lower Li nucleation overpotential was obtained on the LM-P modified Cu with an optimal composition of the polymers than the bare Cu substrates. DFT computations was used to reveal the binding properties between the LM-P layer and Li. Due to the regulated Li plating/stripping process, as-obtained 30 μm Li anodes paired with LiNi 0.8 Co 0.1 Mn 0.1 O 2 (NCM811) with a negative/positive electrode capacity (N/P) ratio ∼ 10 exhibited stable cycling performance at 0.5C for over 250 cycles, with an average Coulombic efficiency of 99.55%. Ultrathin Li (1 μm) anodes with an N/P ratio ∼ 0.6 were also demonstrated in Li|LiFePO 4 cells, which examined the stabilization of Li by LM-P NPs and monitored practical loadings of Li anodes that are close to anode-free systems.
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