锂金属电池（LMBs）是最有希望的下一代高能量密度存储设备之一，能够满足新兴行业的严格要求。然而，直接应用金属锂可能带来安全问题、较差的倍率和循环性能，甚至负极材料在电池内部的粉碎。其主要原因包括大极化和强电场引起的异质沉积导致的枝晶生长、金属锂极度活泼、循环时锂体积无限变化等。这些缺点严重阻碍了LMBs的商业化。
锂金属负极电池失效可分为三类：i）无限制枝晶生长导致的灾难性短路；ii）金属锂的连续副反应和相当大的死锂的形成导致循环性能变差；iii）无限的体积变化诱发的完全负极粉碎和电断开。
近日，清华大学李宝华教授等人开发了一种TiN纳米颗粒修饰的三维CNF网络结构材料(CNF-TiN)，可同时作为锂金属负极的集流体和主体材料，并深入研究了锂在TiN纳米颗粒上的成核行为。结果表明，TiN与三维CNF结构在高导电网络的协同作用下，实现了锂的均匀沉积。理论计算表明，Li更倾向于以低扩散能垒吸附在TiN上，形成可控的成核位点和无枝晶Li。此外，通过动力学分析确定的TiN的伪电容行为有利于Li+超快存储和电荷转移过程。从而有效地调控了锂的成核，实现了无枝晶锂的沉积。因此，CNF-TiN基锂金属负极的电化学性能得到了显著改善，可以在3mA cm−2电流密度下稳定工作200个周期，并保持较高的电化学性能，经过100次循环后，CE为98.6%，容量为6 mAh cm−2。此外，与LiFePO4和硫正极相结合的完整电池具有良好的循环稳定性，这意味着在实际应用中有很大的潜力。相关研究成果以“Ultrafine Titanium Nitride Sheath Decorated Carbon Nanofiber Network Enabling Stable Lithium Metal Anodes”为题目发表于期刊《Adv. Funct. Mater.》上。
图1 CNF-TiN的制备与表征。
图2 CNF-TiN亲锂性的计算与实验验证。
图3 电流密度为1 mA cm−2时，在CNF和CNF-TiN上的Li金属沉积/溶解行为。
图4 全电池的电化学性能。
