Sci.Adv.:通過原子層沉積LiF作為鋰金屬陽(yáng)極的穩(wěn)定界面來拼接h-BN

日期：2017-12-11 點(diǎn)擊次數(shù)：2211

　　【引言】

　　由于其獨(dú)特的電學(xué)和光學(xué)特性，二維（2D）原子晶體h-BN已成為電子和光電子領(lǐng)域各種應(yīng)用的有吸引力的材料。此外，它具有優(yōu)異的化學(xué)惰性，使其對(duì)大多數(shù)化學(xué)品如氧和鋰金屬穩(wěn)定。h-BN的完美單原子層具有很強(qiáng)的機(jī)械強(qiáng)度，預(yù)計(jì)面內(nèi)楊氏模量接近1.0TPa。由于具有諸多優(yōu)點(diǎn)，h-BN作為一種穩(wěn)定的涂層顯示了優(yōu)異的特性，該涂層可防止高溫下的金屬氧化，并抑制電化學(xué)鋰金屬電鍍過程中鋰枝晶的形成。缺陷是二維（2D）材料的重要特征，對(duì)其化學(xué)和物理性質(zhì)有很大的影響。通過缺陷點(diǎn)（點(diǎn)缺陷，線缺陷等）增強(qiáng)的化學(xué)反應(yīng)性，可以通過化學(xué)反應(yīng)選擇性地使2D材料功能化，從而調(diào)整其物理化學(xué)性質(zhì)。

　　【成果簡(jiǎn)介】

　　近日，斯坦福大學(xué)崔屹教授（通訊作者）團(tuán)隊(duì)證明了LiF在化學(xué)氣相沉積法制備的h-BN缺陷位置上的選擇性原子層沉積。LiF主要沉積在h-BN的線和點(diǎn)缺陷上，從而形成將h-BN微晶保持在一起的接縫。化學(xué)和機(jī)械穩(wěn)定的混合LiF/h-BN膜在銅箔上的初始電化學(xué)沉積和隨后的循環(huán)過程中成功地抑制了鋰枝晶的形成。在無添加劑的碳酸鹽電解質(zhì)中，受保護(hù)的鋰電極表現(xiàn)出良好的循環(huán)行為，在相對(duì)高的庫(kù)倫效率（>95％）下具有超過300次循環(huán)。相關(guān)成果以題為“Stitchingh-BNbyatomiclayerdepositionofLiFasastableinterfaceforlithiummetalanode”發(fā)表在ScienceAdvances上。本工作主要由斯坦福大學(xué)崔屹老師指導(dǎo)，由美國(guó)能源部Battery500和Bosch公司共同提供資金支持完成。**作者為崔屹老師實(shí)驗(yàn)室博士后謝琎和廖磊。

　　【圖文導(dǎo)讀】

　　圖1SEM表征

　　（A）在h-BN上選擇性ALDLiF沉積的示意圖

　?。˙）在連續(xù)的h-BN上進(jìn)行50次循環(huán)的ALDLiF沉積的SEM表征

　　（C）在h-BN邊緣上50次循環(huán)的ALDLiF沉積的SEM表征

　　圖2原子力顯微鏡和俄歇表征

　?。ˋ）選擇性ALDLiF沉積在h-BN/Si上的頂視圖和側(cè)視圖

　?。˙）在Si襯底上的單層h-BN的AFM表征

　　（C）Si襯底上的單層h-BN的高度分布

　?。―，E）在Si襯底上ALDLiF涂覆的單層h-BN的高度分布

　?。‵）在Si襯底上的ALDLiF涂覆的單層h-BN的AFM表征

　?。℅）使用俄歇能譜對(duì)h-BN/Si進(jìn)行N，B和F的元素映射

　?。℉）使用俄歇能譜對(duì)LiF/h-BN/Si進(jìn)行N，B和F的元素映射

　　圖3TEM表征

　?。ˋ）在懸浮的h-BN上的ALDLiF沉積的TEM表征

　　（B）高亮藍(lán)色區(qū)域的衍射圖案

　?。–）突出綠色和紅色區(qū)域顆粒密度的比較

　　圖4電化學(xué)鍍Li的SEM表征

　　在Cu（A-C），h-BN/Cu（D-F），LiF/Cu（G-I）和LiF/h-BN/Cu（J-L）上Li電鍍的示意圖和SEM表征

　　圖5循環(huán)性能

　　（A）庫(kù)侖效率（CE）與循環(huán)次數(shù)圖

　?。˙）第二次循環(huán)中電壓與容量的關(guān)系曲線

　?。–）第46次循環(huán)期間電壓與容量的關(guān)系圖

　?。―）第54次循環(huán)期間電壓與容量的關(guān)系曲線

　　（E）第90次循環(huán)的電壓與容量的關(guān)系曲線

　　圖6電化學(xué)鍍Li橫截面形貌的SEM表征

　　在EC/DEC電解質(zhì)中用1MLiPF6在LiF/h-BN/Cu（A）和原始Cu（B）基底上沉積5次之后的Li的橫截面形貌的SEM表征

　　【小結(jié)】

　　該研究證明了在h-BN缺陷位置處LiF的選擇性ALD具有增強(qiáng)的化學(xué)反應(yīng)性。選擇性沉積能夠使用SEM，AFM和TEM可視化h-BN中缺陷的位置。LiF/h-BN復(fù)合膜具有優(yōu)異的化學(xué)和力學(xué)性能，能夠有效抑制鋰枝晶的形成，提高長(zhǎng)周期鋰金屬循環(huán)的庫(kù)侖效率。