Interfacial friction enabling ≤ 20 μm thin free-standing lithium strips for lithium metal batteries

材料科学 锂(药物) 阳极 金属 薄膜 化学工程 复合材料 纳米技术 电极 冶金 化学 医学 工程类 内分泌学 物理化学
作者
Shaozhen Huang,Zhibin Wu,Bernt Johannessen,Kecheng Long,Piao Qing,Pan He,Xiaobo Ji,Weifeng Wei,Yuejiao Chen,Libao Chen
出处
期刊:Nature Communications [Springer Nature]
卷期号:14 (1) 被引量:50
标识
DOI:10.1038/s41467-023-41514-0
摘要

A practical high-specific-energy Li metal battery requires thin (≤20 μm) and free-standing Li metal anodes, but the low melting point and strong diffusion creep of lithium metal impede their scalable processing towards thin-thickness and free-standing architecture. In this paper, thin (5 to 50 μm) and free-standing lithium strips were achieved by mechanical rolling, which is determined by the in situ tribochemical reaction between lithium and zinc dialkyldithiophosphate (ZDDP). A friction-induced organic/inorganic hybrid interface (~450 nm) was formed on Li with an ultra-high hardness (0.84 GPa) and Young's modulus (25.90 GPa), which not only enables the scalable process mechanics of thin lithium strips but also facilitates dendrite-free lithium metal anodes by inhibiting dendrite growth. The rolled lithium anode exhibits a prolonged cycle lifespan and high-rate cycle stability (in excess of more than 1700 cycles even at 18.0 mA cm-2 and 1.5 mA cm-2 at 25 °C). Meanwhile, the LiFePO4 (with single-sided load 10 mg/cm2) ||Li@ZDDP full cell can last over 350 cycles with a high-capacity retention of 82% after the formation cycles at 5 C (1 C = 170 mA/g) and 25 °C. This work provides a scalable approach concerning tribology design for producing practical thin free-standing lithium metal anodes.

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