孙俊才教授团队， Nano Research观点：一种高晶格匹配性的CoN与CoF2纳米片装饰泡沫镍实现致密的锂沉积

第一作者：刘文龙

通讯作者：孙俊才*

单位：大连海事大学

锂离子电池以其优异稳定的电化学性能而备受关注，但传统的阳极材料（石墨）已不能满足人们的需求。根据其特性优势，如最高比容量（3860 mAh g ^-1 ）、低电位电压（-3.04 V vs标准氢电极）和高能量密度，锂金属阳极（LMAs）有望成为理想的阳极材料。LMAs的能量存储取决于阳极上Li ⁺ 的剥离/沉积。然而，沉积锂的生长往往不能保持致密性和均匀性。Li ⁺ 的不均匀沉积会导致Li枝晶形成，而“尖端效应”会使电场增强，吸引周围的Li ⁺ ，促进枝晶的生长。不可控的枝晶生长会击穿固体电解质界面(SEI)层和隔膜，导致电池失效。同时，出现在LMAs表面的SEI层是由锂金属与电解质反应形成的。SEI膜的存在可以防止锂金属与电解质直接接触，降低电池系统中锂金属的消耗。然而，LMAs理论上无限的体积变化会破坏SEI层结构，新鲜的锂通过裂纹与电解质接触。并且，枝晶和SEI层的重建是导致容量和库仑效率下降的主要原因。

近日，来自 大连海事大学的孙俊才教授课题组 ，在国际知名期刊 Nano Research 上发表题为 “An effective strategy for dendrite free Li metal anodes: Nickel foam decorated with high lattice-matching CoN and CoF ₂ nanosheets for dense deposition” 的观点文章。该观点文章提出了一种使用氮化钴和氟化钴纳米片装饰泡沫镍，其丰富的内部空间结构和高的晶格匹配性，能够有效的降低锂离子的形核势垒，以获得具有致密沉积的锂金属负极材料，缓解锂金属负极使用过程中的体积膨胀和枝晶生长问题。

锂离子电池以其优异稳定的电化学性能而备受关注，但传统的阳极材料（石墨）已不能满足人们的需求。根据其特性优势，如最高比容量（3860 mAh g ^-1 ）、低电位电压（-3.04 V vs标准氢电极）和高能量密度，锂金属阳极（LMAs）有望成为理想的阳极材料。LMAs的能量存储取决于阳极上Li ⁺ 的剥离/沉积。然而，沉积锂的生长往往不能保持致密性和均匀性。Li ⁺ 的不均匀沉积会导致Li枝晶形成，而“尖端效应”会使电场增强，吸引周围的Li ⁺ ，促进枝晶的生长。不可控的枝晶生长会击穿固体电解质界面(SEI)层和隔膜，导致电池失效。同时，出现在LMAs表面的SEI层是由锂金属与电解质反应形成的。SEI膜的存在可以防止锂金属与电解质直接接触，降低电池系统中锂金属的消耗。然而，LMAs理论上无限的体积变化会破坏SEI层结构，新鲜的锂通过裂纹与电解质接触。并且，Li枝晶和SEI层的重建是导致容量和库仑效率下降的主要原因。

锂离子沉积过程中，因为其与基体材料的晶格匹配性低（亲锂性差），使其具有很高的形核势垒，这不利于锂离子在基体材料上进行均匀的、致密的沉积。在目前的研究中，大部分均使用具有较好的亲理性材料对框架材料进行装饰，从而达到提高基体材料亲锂性的目标，这样可以将基体材料的结构优点和装饰材料亲锂性高的优点合二为一，从而获得更好的电化学性能。氮化物是一种被证明具有高亲锂性的材料。其中，经过计算得知，氮化钴的（1 1 1）晶面与锂金属的（1 1 0）晶面的晶格匹配性较好，能够显著提高泡沫镍的亲锂性，促进锂金属的致密均匀的沉积。

SEI膜是锂金属负极重要的保护措施，其能够防止新鲜的锂金属与电解液直接接触，从而阻止锂金属和电解液的持续消耗。SEI膜的主要组成成分包括碳酸锂、氧化锂、氟化锂等，其中氟化锂能够有效的增强SEI膜的强度，提高锂离子的传输速率。氟化钴纳米片在循环过程中，可以补给大量的氟元素，增加SEI膜中氟化锂的含量，通过对循环后极片进行半定量分析，可以观察到氟化锂的含量相较于纯泡沫镍具有明显的升高。

本文设计并制备了一种使用氮化钴和氟化钴纳米片装饰的泡沫镍，用作锂金属负极集流体。泡沫镍是一种典型的集流体基体结构，可以容纳沉积的锂金属以缓解体积膨胀。纳米片结构能够有效降低局部电流密度，并加速锂离子的传输。此外，锂和氮化钴的高的晶格匹配性极大的提高了基体材料的亲锂性，降低了成核势垒。同时，氟化钴可以增加SEI膜中的氟含量，进而增加LiF相的含量，获得强度更高的SEI膜。得益于泡沫镍、氮化钴和氟化钴纳米片的共同作用，NF@CNCF显示出优越的循环寿命和低的循环过电压。在1 mA cm ^-2 和1 mAh cm ^-2 的条件下，库伦效率能够在600次循环后保持在98%以上。并且使用磷酸铁锂和NF@CNCF组装的全电池表现出令人满意的比容量，展现出一定的实际应用的潜力。

An effective strategy for dendrite free Li metal anodes: Nickel foam decorated with high lattice-matching CoN and CoF ₂ nanosheets for dense deposition

孙俊才 教授简介：大连海事大学教授，博士生导师，国家人事部有突出贡献专家，中国力学学会材料试验专业委员会主任。长期从事新能源材料与电池技术研究开发工作。完成国家“863”计划课题、科技部重点专项前沿课题、国家自然科学基金、欧盟FP6计划项目等科研课题30余项，其中获省部级科技奖励5项，其中科技进步二等奖2项，三等奖2项，发明创造奖1项。出版专著2本，在国内外公开发表SCI学术论文200余篇，获得授权发明专利31项。

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