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Homogeneous electric field and Li+ flux regulation in three-dimensional nanofibrous composite framework for ultra-long-life lithium metal anode

阳极 材料科学 锂(药物) 电化学 纳米纤维 无定形固体 极化(电化学) 纳米技术 氧化物 电流密度 化学工程 复合材料 电极 化学 冶金 医学 物理化学 工程类 内分泌学 物理 有机化学 量子力学
作者
Ai‐Long Chen,Mingyu Gao,Lulu Mo,Jing Wang,Zhen Xu,Yue‐E Miao,Tianxi Liu
出处
期刊:Journal of Colloid and Interface Science [Elsevier BV]
卷期号:614: 138-146 被引量:17
标识
DOI:10.1016/j.jcis.2022.01.087
摘要

Lithium (Li) metal is considered as the best anode candidate for next-generation high-energy batteries due to its ultralow electrochemical potential and extremely high theoretical capacity. However, issues arising from the undesired growth of lithium dendrites and infinite volumetric change have seriously hindered the practical application of lithium metal batteries (LMBs). Here, we designed a super-lithiophilic amorphous zinc oxide-doped carbon nanofiber framework with uniformly-distributed and parallel multichannels (MCCNF@ZnO) to achieve the homogeneous distribution of electric field and Li+ flux. By the assistances of COMSOL Multiphysics simulations and ex-situ scanning electron microscopy, we reveal that the Li metal preferentially deposits into the porous nanochannels inside the nanofibers, followed by its even distribution on the lithiophilic surface of MCCNF@ZnO. Furthermore, the conductive multichannels of the carbon nanofiber skeleton can effectively minimize the partial current density, thereby effectively avoiding the electrochemical polarization and assisting the uniform metallic deposition. As a result, MCCNF@ZnO exhibits a stable CE over 99.2% as the substrate after 500 cycles at the current density of 1 mA cm-2. The symmetrical cell of lithium-loaded MCCNF@ZnO composite electrodes can stably operate over 3300 h at 0.5 mA cm-2, indicating the great potential of MCCNF@ZnO for stabilizing lithium metal anodes in practical applications of LMBs.
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