锂金属与石墨原来有这些润湿性能!

索尼在1970年代末发现了“摇椅式”锂离子电池(LIB),并于1991年将其商业化,这已成为当今我们存储便携式能源的主要方式。

为了表彰为创造可充电世界”所做的贡献,2019年诺贝尔化学奖授予了三位著名科学家John B.Goodenough,M.Stanley Whittingham,Akira Yoshino,他们对LIB的发现做出了最重要的贡献。

但是,这项技术已接近其实际性能极限,并且正在努力用新的电化学存储解决方案代替LIB,该解决方案安全,稳定,成本低且能量密度高,可为远程电动汽车和持久的便携式电子设备供电。

锂金属和石墨材料的接触角实验:(ac)高取向热解石墨(HOPG);(df)多孔复写纸(PCP);(gi)锂化多孔碳纸(锂化PCP)。图片来源:中国科学出版社

用锂金属代替传统的石墨基阳极是一种具有3860 mAh / g的高理论容量的“神圣”阳极,这表明它是一种很有前途的方法。目前,锂金属阳极的循环效率差且体积变化无穷,引发了操作安全性问题。

为了解决其缺点,已经采取了有效的措施,包括功能性电解质添加剂,人造固体电解质界面以及使用主体支架来缓冲体积膨胀。其中,使用支架的方法继续得到快速发展。

石墨是一种经典的锂阳极,具有低密度和高电子传导性,有望作为一种有效的基质支架。然而,通常认为锂金属润湿石墨的能力较差,导致其扩散和渗透困难。

将石墨从疏油性转变为疏油性的先前方法包括用Si,Ag或金属氧化物进行表面涂层(疏油性表示大的接触角,而疏硫性表示熔融锂与固体表面之间的低接触角)。

但是,这种液体扩散行为的变化是由于用反应性涂层代替了石墨。因此,可能会问石墨本质上是疏硫的还是疏硫的。在此,系统地研究了熔融锂在不同种类的石墨基碳材料上的润湿行为。

首先,将高度取向的热解石墨(HOPG)用作测试样品。观察到HOPG衬底立即允许与Li金属的接触角(CA)为73°,为了从理论上检验该实验。

对熔融的Li液滴(54 Li原子)/石墨(432 C原子,两层石墨烯)进行了从头算分子动力学模拟,以证明石墨的清洁表面(002)本质上是在500K时具有亲硫性,结果还证实锂和石墨具有良好的亲和力。

但是,多孔碳纸(PCP)上的Li金属的CA高达142°,这表明PCP是疏脂的。该结果与先前的结论是石墨本质上是硫亲油性的结论相矛盾。

这促使研究人员进一步了解了表面化学对锂金属和石墨的润湿性能的影响。与HOPG相比,发现PCP表面具有大量的含氧官能团。

这些表面杂质将在钉扎锂金属和PCP之间的接触线中起关键作用,从而导致更大的表观接触角。为了证明这一假设,首先通过降低熔融锂金属的电化学势来对PCP进行锂化。

在此过程中,也消除了PCP的表面杂质。实验表明,锂化的PCP表现出约52°的小CA,这表明已成功从疏油性转变为疏油性。

由于锂化PCP的多孔结构,锂金属迅速扩散通过DFT模拟显示,锂化石墨和石墨具有相似的润湿性能,证明消除表面杂质将是润湿性能从PCP过渡到锂化PCP的关键原因。

石墨粉还用于测试其与锂金属的润湿性。继续搅拌后 石墨粉末可以均匀地分散在Li金属基体中,进一步证实了石墨的亲硫性质。

利用这一发现,提出了一种新颖的锂金属-石墨复合方法,可以大规模生产大面积的锂-石墨复合阳极。

这项工作不仅系统地研究了锂金属和石墨基碳材料的润湿性,而且为锂碳复合负极材料的构造提供了新思路,这有助于高能锂金属电池的开发。

文章来源:phys.org