為此，中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所博士王健與研究員藺洪振，首次提出利用缺陷位點(diǎn)來(lái)錨定金屬單原子的方法，將高活性金屬單原子錨定在陽(yáng)離子缺陷化合物中作為鋰離子動(dòng)力學(xué)調(diào)控層，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰離子動(dòng)力學(xué)的催化，豐富的金屬單原子活性位點(diǎn)可引導(dǎo)鋰以較低的能壘均勻成核，并促進(jìn)鋰金屬表面的無(wú)枝晶化過(guò)程。與常規(guī)的納米碳材料相比較，陽(yáng)離子缺陷金屬硫化物比納米碳具有更好的親鋰性。缺陷位點(diǎn)能夠捕獲并錨定金屬單原子，利用球差矯正電鏡與X射線吸收光譜表征了鈷單原子的形貌與化學(xué)環(huán)境，并通過(guò)能量散射譜分析了鈷原子和鐵原子的價(jià)態(tài)特征，確認(rèn)了Fe1-xS和鈷單原子的存在形態(tài)。 高活性的原子位點(diǎn)使SACo/ADFS@HPSC具有協(xié)同親鋰和催化鋰離子動(dòng)力學(xué)的效應(yīng)能夠顯著調(diào)控鋰沉積行為。活性金屬單原子位點(diǎn)降低了鋰成核勢(shì)壘，促進(jìn)鋰的均勻水平沉積，從而獲得1600 h的超長(zhǎng)壽命和較高的庫(kù)侖效率，有效阻止了鋰沉積過(guò)程中的枝晶生長(zhǎng)，并對(duì)循環(huán)后的電極形貌進(jìn)行了表征與機(jī)制研究。與常規(guī)的SACs一樣，SACo/ADFS@HPSC調(diào)控層對(duì)多硫化物的催化、硫化鋰的沉積有明顯催化作用。調(diào)控的鋰金屬作為負(fù)極與硫正極匹配后，鋰硫全電池的硫利用率和倍率性能顯著提高，倍率最高可達(dá)10 C。在1 mA cm-2下，制備的硫面積載量為5.4 mg cm-2的軟包電池的面容量為3.78 mA cm-2，體現(xiàn)出較好的實(shí)際應(yīng)用前景。該工作提供了一種利用催化材料來(lái)控制均勻剝離和沉積鋰的表面電化學(xué)行為的新策略。
相關(guān)研究成果以Long-Life Dendrite-Free Lithium Metal Electrode Achieved by Constructing a Single Metal Atom Anchored in a Diffusion Modulator Layer為題，發(fā)表在Nano Letter上。論文第一作者為王健，論文通訊作者為藺洪振。研究工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金及德國(guó)Alexander von Humboldt Foundation(洪堡基金)等的支持。
圖1.陽(yáng)離子缺陷硫化亞鐵錨定高活性鈷單原子的合成示意圖和形貌特征
圖2.SACo/ADFS@HPSC復(fù)合體系中活性金屬單原子的譜學(xué)特征
圖3.SACo/ADFS@HPSC調(diào)控層提升鋰金屬電極的電化學(xué)穩(wěn)定性和壽命
圖4.SACo/ADFS@HPSC對(duì)鋰金屬電極表面鋰離子動(dòng)力學(xué)的調(diào)控機(jī)理解析
圖5.全電池電化學(xué)性能測(cè)試
