ZnO/carbon framework derived from metal-organic frameworks as a stable host for lithium metal anodes

材料科学 阳极 化学工程 金属 电流密度 锂(药物) 碳纤维 无机化学 冶金 复合材料 电极 复合数 物理化学 物理 工程类 内分泌学 化学 医学 量子力学
作者
Leying Wang,Xiayu Zhu,Yuepeng Guan,Jinliang Zhang,Fei Ai,Wenfeng Zhang,Xiang Yu,Vijayan Srinivasapriyan,Guodong Li,Yaqin Huang,Gaoping Cao,Yusheng Yang,Hao Zhang
出处
期刊:Energy Storage Materials [Elsevier BV]
卷期号:11: 191-196 被引量:129
标识
DOI:10.1016/j.ensm.2017.10.016
摘要

Lithium metal is the ideal anode for the next generation of high-energy-density batteries. Nevertheless, dendrite growth, side reactions and infinite relative volume change have prevented it from practical applications. Here, we demonstrate a promising metallic lithium anode design by infusing molten lithium into a ZnO/carbon framework, which is obtained by pyrolysis of a typical metal-organic framework (MOF) ZIF-8. The ZnO/carbon scaffold is not only stable against highly reactive molten lithium, but also very lithiophilic via abundant carbonyl and nitrogen-containing surface groups and zinc oxide sites, which are in-situ generated from the ZIF-8. The molten lithium can be drawn into the composite, affording a nano-structured lithium electrode. Importantly, the ZnO/carbon scaffold enables uniform lithium stripping/plating by successfully confining lithium within the composite, resulting in minimum volume change and effective dendrite suppression. The porous electrode reduces the effective current density; thus, flat voltage profiles and stable cycling of more than 200 cycles is achieved even at a high current density of 10 mA cm−2. The advantages of the porous, stable MOF-derived ZnO/carbon electrode provide important insights into the design principles of lithium metal anodes.
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