燕山大学、韩国蔚山国立科学技术院和美国宾夕法尼亚州立大学---锂沉积诱导的碳纳米管断裂及其对固态电池的影响

对安全和高密度储能器件的需求不断增长，研究重点已从基于液体电解质的锂离子电池转向固态电池 (SSB)。然而，不可控的锂枝晶生长和短路阻碍了SSB的应用，其机制仍然难以捉摸。在此，我们概念化了一种方案，以可视化碳纳米管(CNT)内有限空间中的锂沉积，来模拟固体电解质(SE)裂纹内的锂沉积动力学，其中高强度CNT壁模拟机械强度高的SE。我们观察到沉积的锂在碳纳米管中以蠕动固体的形式传播，为应力松弛提供了有效的途径。当应力松弛通路被阻断时，锂沉积引起的应力达到千兆帕水平并导致碳纳米管断裂。力学分析表明，界面亲锂性是控制锂沉积动力学和应力松弛的关键。我们的研究为抑制锂枝晶生长和构建高能量密度、电化学和机械坚固的SSB提供了关键策略。

Figure 1. (a-i，j-p)两组延时TEM图显示由锂在CO2环境中沉积引起的CNT断裂。施加的电压在a-i中为-0.8 V，在j-p中为-1 V。I-III分别是d、g和i的局部放大倍数，显示沉积的锂的正面覆盖有薄薄的Li2CO3层。箭头指出锂沉积前沿。白色箭头指出CNT壁的断裂位置。

Figure 2.（a-h）原始和（j-q）锂化碳纳米管的拉伸实验。(h，q)原始和锂化的CNT均表现出脆性断裂，显示出垂直于CNT纵向的尖锐断裂表面（红色箭头）。(i，r)力-位移和应力-应变图分别对应于(a-g)和(l-p)。

Figure 3. (a-f，m-p)原始和 (g-l，q-t) 锂化碳纳米管的径向压缩。(a，g) 压缩实验的实验配置示意图。(b-f，h-l)连续TEM图分别显示原始和锂化CNT的压缩过程。请注意，对于原始CNT，它(f)在释放压缩后恢复到其初始形状，表明原始CNT具有良好的弹性。然而，（l）锂化碳纳米管在压缩后表现出脆性断裂特性。(m-o，q-s) FEA模拟分别显示在b-f和h-l中的实验结果。提供了纵向和横截面图。(p，t)分别对应于a-f、m-o和g-l、q-s的实验和模拟力-位移图以及最大环向和轴向应力-位移图。

Figure 4. 碳纳米管中锂沉积过程中的锂沉积动力学和应力松弛和积累。(a)沉积在CNT（浅绿色）内的锂枝晶（灰色）的示意图。白色箭头指向沉积应力为σ0的沉积位置。沉积应力传递到近端和远端（浅蓝色）的Li2O或Li2CO3层。在锂金属和锂化的CNT之间形成界面层，在CO2环境中使用Li2CO3，在真空环境中使用Li2O。(b，c) 界面剪切阻力(τ)与摩擦系数μ成比例，这取决于界面的亲锂性。界面处的润湿角在CO2环境中为~126°，在真空中为~90°，表明真空中的 μ小于CO2环境中的μ。(d)对应于不同的摩擦系数，沉积应力σ0可能呈指数衰减（μ> 0，对于CO2环境）或均匀（μ≈0，对于真空环境）。对于后者，均匀压应力推动Li2CO3层在近前和远前的传播，而对于前者，发生对称性破坏，近前传播但远前停止。

相关研究成果由燕山大学Yongfu Tang、Jianyu Huang课题组、韩国蔚山国立科学技术院（UNIST）Feng Ding课题组和美国宾夕法尼亚州立大学Sulin Zhang课题组于2021年联合发表在《Nano Letters》（https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c01910）上。原文：Lithium Deposition-Induced Fracture of Carbon Nanotubes and Its Implication to Solid-State Batteries。

博士生导师 硕士生导师

  • 职 称 : 教授

  • 学 科 :应用化学

  • 单 位 : 燕山大学环境与化学工程学院

研究领域

    1. 储能器件及材料的原位电镜研究

    2. 高比能电池及关键材料

    3. 电催化剂的设计及构-效关系

论文成果

  • 唐永福,孟晓娟;李丹丹;贾翠超;唐永福,孟晓娟,李丹丹,贾翠超.CH3NH3PbI3-xBrx薄膜的合成及光电性能.燕山大学学报.2019

  • 唐永福,Xiaomei,Chen,Shunji,Mu,Shichun,Zhao,Yufeng,Gao,Faming,Tang,Yongfu,Li,Yanshuai,Guo,Wenfeng,Wang,Jing.A highly ordered multi-layered hydrogenated TiO2-II phase nanowire array negative electrode for 2.4 V aqueous asymmetric supercapacitors with high energy density and long cycle life.JOURNAL OF MATERIALS CHEMISTRY A.2018

  • 唐永福,Yang,Yang,Yang,Congcong,Chen,Jingzhao,Ye,Hongjun,Li,Xiaomei,Yanshuai,Shen,Tingting,Tongde,Tang,Yongfu,Huang,Jianyu,Jia,Peng,Liu,Qiunan,Zhang,Liqiang,Du.Air-Stable Lithium Spheres Produced by Electrochemical Plating.ANGEWANDTE CHEMIE-INTERNATIONAL EDITION.2018

  • 唐永福,Zhang,Zhang,Zhang,Congcong,Jia,Peng,Wang,Zaifa,Yongfu,Li,Yongfeng,Shen,Liqiang,Tongde,Huang,Jianyu,Tang,Yushu,Liu,Qiunan,Yang,Tingting,Du.Probing the charging and discharging behavior of K-CO2 nanobatteries in an aberration corrected environmental transmission electron microscope.NANO ENERGY.2018

  • 唐永福,Liu,Liu,Liu,Yong,Jia,Peng,Chen,Jingzhao,Ye,Hongjun,Shen,Tongde,Qiunan,Qinming,Zhang,Liqiang,Huang,Jianyu,Yang,Tingting,Du,Congcong,Tang,Yongfu,Sun.In Situ Imaging the Oxygen Reduction Reactions of Solid State Na-O-2 Batteries with CuO Nanowires as the Air Cathode.NANO LETTERS.2018

  • 唐永福,Guo,Wenfeng,Yu,Like,Yan,Jitong,Zheng,Jia,Chang,Limin,Tang,Gao,Faming,Yongfu,Yang,Hongbin,Sun,Jiaojiao,Xia,Meirong.Phase-pure pentlandite Ni4.3Co4.7S8 binary sulfide as an efficient bifunctional electrocatalyst for oxygen evolution and hydrogen evolution.Nanoscale.2018

  • Guo,Zhangyu,Wang,Lin,Zhao,Yufeng,Gao,Faming,唐永福,Wenfeng,Li,Yanshuai,Tang,Yongfu,Chen,Shunji,Liu.TiO2 Nanowire Arrays on Titanium Substrate as a Novel Binder-free Negative Electrode for Asymmetric Supercapacitor.ELECTROCHIMICA ACTA.2017

  • Tang,Yanshuai,Song,Jianzheng,Chang,Limin,Mu,Shichun,Zhao,Yufeng,Gao,Yongfu,Faming,唐永福,Teng,Guo,Wenfeng,Chen,Shunji,Li.Reduced graphene oxide supported MnS nanotubes hybrid as a novel non-precious metal electrocatalyst for oxygen reduction reaction with high performance.JOURNAL OF POWER SOURCES.2017

  • Tang,Yanshuai,Mu,Shichun,Yu,Shengxue,Zhao,Yufeng,Wen,Fusheng,Gao,Yongfu,Faming,唐永福,Chen,Shunji,Teng,Guo,Wenfeng,Li.Synthesis of peanut-like hierarchical manganese carbonate microcrystals via magnetically driven self-assembly for high performance asymmetric supercapacitors.JOURNAL OF MATERIALS CHEMISTRY A.2017

  • 唐永福,Qiao,Yuqing,Mu,Shichun,Zhao,Yufeng,Gao,Faming,Tang,Yongfu,Liu,Zhangyu,Guo,Wenfeng,Chen,Teng.Honeycomb-like mesoporous cobalt nickel phosphate nanospheres as novel materials for high performance supercapacitor.ELECTROCHIMICA ACTA.2016

专利

  • 一种钝化锂粉及其制备方法和应用

  • 一种超级电容器用多层结构二氧化钛电极及其制备方法

  • 一种蜂窝状介孔磷酸钴镍电极材料及其制备方法

  • 一种多孔纳米硫化锰及其制备方法

  • 一种低温燃料电池Pd-Pt多面体纳米晶电催化剂即制备方法

  • 一种超级电容器电极材料及其制备方法

科研项目

固态钠-氧气电池充放电机理及失效机制研究, 2020-02-03, 进行

  • 一种超级电容器电极材料及其制备方法专利转让, 2020-07-01-2033-09-18, 进行

  • 一种低温燃料电池Pd-Pt多面体纳米晶催化剂及其制备方法专利转让,

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