Understanding of Lithium Insertion into 3D Porous Carbon Scaffolds with Hybridized Lithiophobic and Lithiophilic Surfaces by In-Operando Study

多孔性 锂(药物) 碳纤维 材料科学 纳米技术 化学工程 生物 复合材料 复合数 工程类 内分泌学
作者
Juran Noh,Jian Tan,Digvijay Yadav,Peng Wu,Kelvin Y. Xie,Choongho Yu
出处
期刊:Nano Letters [American Chemical Society]
卷期号:20 (5): 3681-3687 被引量:25
标识
DOI:10.1021/acs.nanolett.0c00618
摘要

In-operando study coupled with voltage/current profiles are presented in order to unveil lithium insertion processes into 3D porous carbon nanotube (CNT) structures whose surfaces were altered to have lithiophobic, lithiophilic, and hybridized lithiophobic/philic characteristics using graphitic surfaces with/without carboxyl/hydroxyl groups. We found the lithiophobic graphitic surfaces hindered lithium insertion into the scaffold despite the high conductivity of CNT. The lithiophilic surface caused another problem of lithium deposition on the outer surface of the electrode, clogging pores and engendering dendrites. Conversely, in the hybridized CNT, lithiophilic trenches partially created on the pristine CNT allowed for uniform lithium deposition into the pores by simultaneously improved lithium attraction and charge transfer, reaching a high areal capacity of 16 mAh cm–2 even with a current density of 8 mA cm–2 without noticeable dendrite formation and volume expansion. Our hybridization approach provides valuable insight to realize a high-energy-density anode by uniformly impregnating lithium into porous media.
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