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Cationic Defect-Modulated Li-Ion Migration in High-Voltage Li-Metal Batteries

法拉第效率 材料科学 阳离子聚合 阳极 金属 箔法 剥离(纤维) 离子 化学工程 纤维 电极 复合材料 化学 冶金 有机化学 高分子化学 物理化学 工程类
作者
Yingmeng Zhang,Jianhua Zhang,Zaohui Ding,Lixuan Zhang,Libo Deng,Lei Yao,Hui Ying Yang
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:17 (24): 25519-25531 被引量:12
标识
DOI:10.1021/acsnano.3c09415
摘要

Li metal exhibits high potential as an anode material for next-generation high-energy density batteries. However, the nonuniform transport of Li+ ions causes Li-dendrite growth at the metal electrode, leading to severe capacity decay and a short cycling life. In this study, negatively charged lithiophilic sites (such as cationic metal vacancies) were used as hosts to regulate the atomic-scale Li+-ion deposition in Li-metal batteries (LMBs). As a proof of concept, three-dimensional (3D) carbon nanofibers (CNFs) decorated with negatively charged TiNbO4 grains (labeled CNF/nc-TNO) were confirmed to be promising Li hosts. Cationic vacancies caused by the carbothermal reduction of Nb5+ and Ti4+ ions generated a negatively charged fiber surface and strong electrostatic interactions that guided the Li+-ion flux to the shadowed areas underneath the fiber and throughout the fibrous mat. Consequently, circumferential Li-metal plating was observed in the CNF/nc-TNO host, even at a high current density of 10 mA cm-2. Moreover, CNF/nc-TNO asymmetric cells delivered a significantly more robust and stable Coulombic efficiency (CE) (99.2% over 380 cycles) than cells comprising electrically neutral CNFs without cationic defects (which exhibits rapid failure after 20 cycles) or Cu foil (which exhibits rapid CE decay, with a CE of 87.1% after 100 cycles). Additionally, CNF/nc-TNO exhibited high stability and low-voltage hysteresis during repeated Li plating/stripping (for over 4000 h at 2 mA cm-2) with an areal capacity of 2 mAh cm-2. It was further paired with high-voltage LiNi0.8Co0.1Mn0.1 (NCM811) cathodes, and the full cells showed long-term cycling (220 cycles) with a CE of 99.2% and a steady rate capability.

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