為此，中國科學(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)來錨定金屬單原子的方法，將高活性金屬單原子錨定在陽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)鋰金屬表面的無枝晶化過程。與常規(guī)的納米碳材料相比較，陽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)?！ 「呋钚缘脑游稽c(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)壽命和較高的庫侖效率，有效阻止了鋰沉積過程中的枝晶生長(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。研究工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金及德國Alexander von Humboldt Foundation(洪堡基金)等的支持。
圖1.陽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
