Chemical Prelithiated 3D Lithiophilic/-Phobic Interlayer Enables Long-Term Li Plating/Stripping

锂(药物) 材料科学 碳纤维 成核 氧化物 涂层 化学工程 复合数 无机化学 复合材料 化学 冶金 有机化学 工程类 医学 内分泌学
作者
Sandro Schöner,Dana Schmidt,X. Chen,Krzysztof Dzięcioł,Roland Schierholz,Pengfei Cao,Ahmad Ghamlouche,Fabian Jeschull,Anna Windmüller,Chih‐Long Tsai,Xunfan Liao,Hans Kungl,Guiming Zhong,Yiwang Chen,Hermann Tempel,Shicheng Yu,Rüdiger‐A. Eichel
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:18 (27): 17924-17938 被引量:2
标识
DOI:10.1021/acsnano.4c04507
摘要

The up-to-date lifespan of zero-excess lithium (Li) metal batteries is limited to a few dozen cycles due to irreversible Li-ion loss caused by interfacial reactions during cycling. Herein, a chemical prelithiated composite interlayer, made of lithiophilic silver (Ag) and lithiophobic copper (Cu) in a 3D porous carbon fiber matrix, is applied on a planar Cu current collector to regulate Li plating and stripping and prevent undesired reactions. The Li-rich surface coating of lithium oxide (Li2O), lithium carboxylate (RCO2Li), lithium carbonates (ROCO2Li), and lithium hydride (LiH) is formed by soaking and directly heating the interlayer in n-butyllithium hexane solution. Although only a thin coating of ∼10 nm is created, it effectively regulates the ionic and electronic conductivity of the interlayer via these surface compounds and reduces defect sites by reactions of n-butyllithium with heteroatoms in the carbon fibers during formation. The spontaneously formed lithiophilic–lithiophobic gradient across individual carbon fiber provides homogeneous Li-ion deposition, preventing concentrated Li deposition. The porous structure of the composite interlayer eliminates the built-in stress upon Li deposition, and the anisotropically distributed carbon fibers enable uniform charge compensation. These features synergistically minimize the side reactions and compensate for Li-ion loss while cycling. The prepared zero-excess Li metal batteries could be cycled 300 times at 1.17 C with negligible capacity fading.
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