Designing High‐Rate and High‐Capacity Lithium Metal Anodes: Unveiling Critical Role of Carbon Nanotube Structure

金属锂 材料科学 碳纳米管 锂(药物) 纳米管 纳米技术 阳极 金属 化学工程 冶金 化学 电极 物理化学 医学 工程类 内分泌学
作者
Ying Zhou,Tomoko Yamagishi,Kazufumi Kobashi,Don N. Futaba,Takeo Yamada,Kenji Hata
出处
期刊:Small [Wiley]
卷期号:21 (38): e03161-e03161 被引量:1
标识
DOI:10.1002/smll.202503161
摘要

Strategic material selection is critical for designing high-performance energy-storage systems. This study reveals that the intrinsic structure of carbon nanotubes (CNTs), rather than modification, plays a decisive role in achieving ultrahigh capacity and stability. Using CNT selection as a design strategy, a mesoporous Li host is developed that enables an exceptional areal capacity of 90 mAh cm-2, long-term cycling stability exceeding 2000 cycles, and operation at an ultrahigh current density of 60 mA cm-2 in symmetric cells. Comprehensive CNT characterization reveals significant differences in diameter, wall number, length, surface chemistry, and assembly behavior, all of which critically influence the lithiophilicity, mechanical integrity, and electrolyte permeability. These factors govern the Li deposition behavior, highlighting the importance of selecting CNTs according to their intrinsic properties rather than relying on post-processing modifications. The anode design is validated in a full Li battery cell using a commercial cathode, achieving an areal capacity of 1.5 mAh cm-2, an 800-cycle lifetime, and stable operation at a current density of 1.5 mA cm-2, significantly surpassing conventional benchmarks. This work establishes the fundamental role of CNT structure-property relationships in Li-metal anode design, offering a pathway for simplified processing, enhanced performance, and more reliable next-generation Li-metal batteries.
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