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Gradient nano-recipes to guide lithium deposition in a tunable reservoir for anode-free batteries

阳极 材料科学 纳米- 锂(药物) 化学工程 沉积(地质) 电极 纳米技术 复合材料 化学 工程类 内分泌学 物理化学 古生物学 生物 医学 沉积物
作者
Zhiqiang Li,Xinglong Huang,Long Kong,Ning Qin,Zhenyu Wang,Lihong Yin,Yingzhi Li,Qingmeng Gan,Kemeng Liao,Shuai Gu,Tengfei Zhang,He Huang,Lina Wang,Guangfu Luo,Xing Cheng,Zhouguang Lu
出处
期刊:Energy Storage Materials [Elsevier]
卷期号:45: 40-47 被引量:29
标识
DOI:10.1016/j.ensm.2021.11.037
摘要

Anode-free batteries (AFBs) have the potential of ultra-high energy density, but lithium dendrite has largely hindered their practical applications. In this work, an in-situ grown gradient solid electrolyte interface (SEI) layer on pre-designed micro-hole-grid (MHG) Cu reservoir is proposed to guide uniform lithium deposition and propagation, by which the electrode interface is stabilized and the surface stress is considerably decreased endowing the AFBs with outstanding areal capacity and cycling performance. The gradient SEI is confirmed by cryogenic-transmission electron microscopy (Cryo-TEM) and XPS to be composed of (1) an elastic organic top layer to hinder non-Li species migration and withstand volume fluctuation, and (2) a lithophilic LiCl-rich bottom layer to render the rapid lithium supply. Operando electron paramagnetic resonance (EPR) shows a dynamic Li deposition, unambiguously demonstrating a dendrites-free behavior. As a result, the full cells of a gradient SEI modified Cu reservoir paired with a LiFePO 4 cathode exhibit high capacity of 95 mAh g –1 and Coulombic efficiency (CE) of 99.5% after 100 cycles, much better than the control cells with planar current collectors (1.6 mAh g –1 , 2.6%). These findings are enlightening in engineering better interphases for high energy and safe rechargeable lithium metal batteries. Schematic illustration of the CuCl induced in situ formation mechanism of a novel multi-functional LiCl-concentration gradient SEI infrastructure. This special SEI with high Li-ionic conductivity and lithiophilic sites can guide Li metal selectively deposition into the ordered micro-hole-grid Cu foils (MHG-Cu-CuCl), endowing high efficiency and stable anode-free rechargeable lithium metal batteries.
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