Ultrathin Defective C–N Coating to Enable Nanostructured Li Plating for Li Metal Batteries

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作者
Qifan Yang,Mengnan Cui,Jiulin Hu,Fulu Chu,Yongjian Zheng,Jianjun Liu,Chilin Li
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:14 (2): 1866-1878 被引量:116
标识
DOI:10.1021/acsnano.9b08008
摘要

Lithium metal batteries (LMBs) are obtaining increasing attention in view of their advantage of theoretical energy density up to 500 Wh kg-1 or higher. However, their performance exploitation is still retarded by anode dendrite growth, dead Li buildup, and electric contact loss at the interface. In order to overcome these challenges, herein, we proposed a defect engineering of a C-N polymer to construct a N-deficient ultrathin film (27 nm) with an unusually narrow bandgap (0.63 eV) as an artificial solid electrolyte interphase (SEI) by reactive thermal evaporation. This defective C-N film enables a nanostructured modulation of Li plating without severe dendrite extrusion and electric disconnection. Its high lithiophilicity is expected to trigger a desired space charge effect in the SEI with enhanced charge-transfer ability, which leads to significant reduction of both the nucleation (17.5 mV at 1 mA cm-2) and plateau overpotentials (70 mV at 3 mA cm-2) during Li plating and stripping. This interposition of a defect structure also endows Li/Cu cells with extended cycling reversibility over 400 cycles and a highly stable Coulombic efficiency of 99% at 3 mA cm-2. The interconnection preservation of the Li plating network modulated by the C-N interphase guarantees a high capacity retention of LiFePO4-based LMBs. The advantage of N-extraction from C3N4 is comprehensively discussed in combination with the results based on g-C3N4 decoration.
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