美国德州农工大学Choongho Yu课题组--通过在多孔碳纳米管支架上MOF层镀锂实现优异的累积容量
锂金属的高比容量是满足可充电电池当前需求的理想选择，但锂枝晶的不可控生长和不可逆的体积膨胀是其应用面临的主要挑战。3D锂主体材料可以通过降低大表面积的电流密度并在其孔中容纳锂金属来缓解这些问题。然而，由于锂离子通过曲折的孔扩散缓慢，锂枝晶持续形成，导致堵塞，从而导致不可控的枝晶生长。在此，研究者们在碳纳米管（CNTs）支架的外表面或支架内单个CNT的外表面通过配位键沉积的方式涂覆了MOF膜（LM-CNT），通过在Operando电池中的直接观察和在SEM下对CNT电极横截面的非原位观察，研究了LM-CNT的镀锂行为。LM-CNT的MOF层促进了锂向集电器的深部插入/沉积，没有明显的枝晶生长，直到24 mAh cm-2（电流密度为8 mA cm-2）的容量，增加了锂电镀/剥离寿命（超过1700 h，20mAh cm-2），优于化学处理的CNT（C-CNT）（10 mAh cm-2）和在单个CNT的所有表面覆盖MOF（IM-CNT）（4 mAh cm-2）。MOF具有足够大的孔以供锂离子渗透，其电子绝缘特性会产生电容效应，将锂离子分布在 MOF层的表面，以避免在镀锂过程中出现枝晶生长和堵塞。获得了优异的体积和重量容量（≈940 mAh cm-3和≈980 mAh g-1）以及优异的累积容量（≈4.9 Ah cm-2）。这种策略，可以避免多孔电极中Li枝晶的形成和堵塞，这对于开发需要高电流密度和高容量的高能量密度可充电锂电池至关重要。
Figure 1. （a）MOF涂覆沉积在化学处理的CNT (C-CNT)上和（b）MOF涂覆沉积在CNT的外表面 (LM-CNT) 和（c）MOF涂覆沉积在单CNT的所有表面(IM-CNT)的制备过程的示意图。（d）原始CNT (P-CNT)的FTIR光谱（蓝线），C-CNT（黑线）和LM-CNT（红线）。（e）C-CNT，（f）IM-CNT，（g）LM-CNT的中间层，（h）LM-CNT的外表面以及（i）锂化后LM-CNT外表面的SEM图
Figure 2. 在电流密度为8 mA cm−2下，锂被镀到（a）LM-CNT，（b）C-CNT和（c）IM-CNT时，Operando电池和相应的面积容量。（d）镀锂过程中LM-CNT(红线)、C-CNT(黑线)和IM-CNT(紫线)的电压分布。插图显示了前3 mAh cm−2期间的电压分布。
Figure 3.（a-d）LM-CNT、（e-g）C-CNT和（h-j）IM-CNT横截面的SEM图，在图像中，锂的插入方向是从右(锂金属和隔膜侧)到左(集电体)。（k）锂嵌入LM-CNT、C-CNT 和IM-CNT中的过程示意图。紫色、青色和黑色表示MOF、锂和碳。
Figure 4. （a）阻抗图和模拟等效电路图以及相应的插图，（b，d）LM-CNT，（c,e）C-CNT
Figure 5. 纽扣电池中LM-CNT电极在20 mAh cm-2（a）镀锂和（b）剥离后的横截面 SEM图。（c）LM-CNT|Li在初始330小时（下图）为2.5-20 mA cm-2的电压曲线，其余1760小时为5 mA cm-2，以及20 mAh cm-2锂电镀/剥离的库伦效率（上插图）。（d）LM-CNT|Li和文献中的那些（由碳质材料和金属制成的有或没有涂层的支架，具有陶瓷或聚合物涂层的锂金属）每个循环的累积容量与电镀容量。（e）LM-CNT在锂镀到20 mAh cm-2时的重量和体积容量，以及当它们完全锂化时传统石墨电极的重量和体积容量。（f）由镀锂LM-CNT阳极(10 mAh cm-2)和硫负载的面积为5 mg cm-2 的硫阴极制成的Li-S电池的比容量、面积容量和库伦效率与循环次数的关系，它可以提供≈5 mAh cm-2的面积容量（N/P比≈2）。
相关研究成果由美国德州农工大学Choongho Yu课题组于2021年发表在《ADVANCED FUNCTIONAL MARERIALS》（https://doi.org/10.1002/adfm.202104899）上，原文：Large Cumulative Capacity Enabled by Regulating Lithium Plating with Metal–Organic Framework Layers on Porous Carbon Nanotube Scaffolds。