DOI: 10.1016/j.apsusc.2021.150247

构建一种亲锂-疏锂梯度集电极是解决锂金属负极枝晶生长问题的有效策略。然而，研究者还发现由定向沉积引起的不均匀应力积累会导致梯度结构中的疲劳失效。本工作制备了由梯度氮掺杂CNF层和铜掺杂CNF层组成的杂化碳纳米纤维（CNF）结构。铜修饰碳纳米纤维不仅提供了一个无沉积物（亲锂）的表面，而且还充当了抵抗疲劳应力的“加强筋”。独特的杂化结构提供了高库仑效率和耐重复应力的能力。

图1.梯度NCNF的SEM图像。顶面图像（NCNF-T）显示在第1个图中：SEM（a）和TEM（c）图像；底部图像（NCNF-B）显示在第2个图中：SEM（b）和TEM（d）图像；（e）NCNF-B单根纤维中的氮分布；（f）N在NCNF横截面上的梯度分布。插图直方图显示了所选点的原子比中相应的N含量。

图2.CuCNF的SEM图（a）、EDS图（b）和HRTEM图（c、d），（d）纳米Cu颗粒的HRTEM图显示d（111）=0.201nm；（e）CuCNF的XRD图谱；（f）CuCNF和CNF的拉曼光谱比较；（g）CNF和NCNF-B的N1s XPS光谱。

图3.（a）不同集流器在1mAh/cm2的面积容量以及1mA/cm2，（b）2mA/cm2和（c）4mA/cm2的电流密度下电镀/剥离Li的库仑效率；相同电流密度和容量下不同对称电池的性能比较：（d）1mA/cm2,1mAh/cm2；（e）4mA/cm2,1mAh/cm2。

图4.CuCNF-NCNF电池在1mA/cm2电流下不同表面Li沉积的SEM图像：（a）顶部CuCNF沉积有1mAh/cm2 Li；（b）底部NCNF沉积有1mAh/cm2 Li；（c）CuCNF沉积有5mAh/cm2 Li；（d）NCNF表面沉积有5mAh/cm2 Li。CNF-NCNF电池在1mA/cm2下不同表面Li沉积的SEM图像：（e）CNF表面沉积有1mAh/cm2 Li；（f）NCNF表面沉积有1mAh/cm2 Li；（g）CNF表面沉积有5mAh/cm2 Li；（h）NCNF表面沉积有5mAh/cm2 Li。

图5.（a）电流密度为1mA/cm2时，NCNF、CNF和CuCNF电极上金属锂镀层的过电位；（b）NCNF、CNF和CuCNF在电解质溶液中的Tafel曲线；（c）初始和（d）200次循环后的电化学阻抗谱。

图6.CNF-NCNF和CuCNF-NCNF电极中CNF（a）和CuCNF（b）层在1mA/cm2的电流密度和4mAh/cm2的面积容量下循环50次后的SEM图像。（c）CNF断裂；（d）50次循环后CuCNF-NCNF变形，集电体向与锂沉积物相反的方向弯曲；（e）CNF和CuCNF的拉伸应力-应变曲线。

图7.（a）以Li@NCNF、Li@CNF-NCNF和Li@CuCNF-NCNF为负极并与LiFePO4配对的全电池在0.5C下的循环性能；（b,c）不同负极在0.5C下循环第10（b）和第100次（c）的相应充放电曲线；（d）具有不同负极并与LiFePO4配对的全电池在1C下的循环性能；（e）Li@CuCNF-NCNF负极在1C下的充放电曲线；（f）LFP全电池的倍率性能。