對安全和高密度儲能器件的需求不斷增長，研究重點已從基于液體電解質的鋰離子電池轉向固態電池 (SSB)。然而，不可控的鋰枝晶生長和短路阻礙了SSB的應用，其機制仍然難以捉摸。在此，我們概念化了一種方案，以可視化碳納米管(CNT)內有限空間中的鋰沉積，來模擬固體電解質(SE)裂紋內的鋰沉積動力學，其中高強度CNT壁模擬機械強度高的SE。我們觀察到沉積的鋰在碳納米管中以蠕動固體的形式傳播，為應力松弛提供了有效的途徑。當應力松弛通路被阻斷時，鋰沉積引起的應力達到千兆帕水平并導致碳納米管斷裂。力學分析表明，界面親鋰性是控制鋰沉積動力學和應力松弛的關鍵。我們的研究為抑制鋰枝晶生長和構建高能量密度、電化學和機械堅固的SSB提供了關鍵策略。
Figure 1. (a-i，j-p)兩組延時TEM圖顯示由鋰在CO
2環境中沉積引起的CNT斷裂。施加的電壓在a-i中為-0.8 V，在j-p中為-1 V。I-III分別是d、g和i的局部放大倍數，顯示沉積的鋰的正面覆蓋有薄薄的Li
2CO
3層。箭頭指出鋰沉積前沿。白色箭頭指出CNT壁的斷裂位置。
Figure 2.（a-h）原始和（j-q）鋰化碳納米管的拉伸實驗。(h，q)原始和鋰化的CNT均表現出脆性斷裂，顯示出垂直于CNT縱向的尖銳斷裂表面（紅色箭頭）。(i，r)力-位移和應力-應變圖分別對應于(a-g)和(l-p)。
Figure 3. (a-f，m-p)原始和 (g-l，q-t) 鋰化碳納米管的徑向壓縮。(a，g) 壓縮實驗的實驗配置示意圖。(b-f，h-l)連續TEM圖分別顯示原始和鋰化CNT的壓縮過程。請注意，對于原始CNT，它(f)在釋放壓縮后恢復到其初始形狀，表明原始CNT具有良好的彈性。然而，（l）鋰化碳納米管在壓縮后表現出脆性斷裂特性。 (m-o，q-s) FEA模擬分別顯示在b-f和h-l中的實驗結果。提供了縱向和橫截面圖。(p，t)分別對應于a-f、m-o和g-l、q-s的實驗和模擬力-位移圖以及最大環向和軸向應力-位移圖。
Figure 4. 碳納米管中鋰沉積過程中的鋰沉積動力學和應力松弛和積累。(a)沉積在CNT（淺綠色）內的鋰枝晶（灰色）的示意圖。白色箭頭指向沉積應力為σ
0的沉積位置。沉積應力傳遞到近端和遠端（淺藍色）的Li
2O或Li
2CO
3層。在鋰金屬和鋰化的CNT之間形成界面層，在CO
2環境中使用Li
2CO
3，在真空環境中使用Li
2O。(b，c) 界面剪切阻力(τ)與摩擦系數μ成比例，這取決于界面的親鋰性。界面處的潤濕角在CO
2環境中為~126°，在真空中為~90°，表明真空中的 μ小于CO
2環境中的μ。(d)對應于不同的摩擦系數，沉積應力σ
0可能呈指數衰減（μ> 0，對于CO
2環境）或均勻（μ≈0，對于真空環境）。對于后者，均勻壓應力推動Li
2CO
3層在近前和遠前的傳播，而對于前者，發生對稱性破壞，近前傳播但遠前停止。
相關研究成果由燕山大學Yongfu Tang、Jianyu Huang課題組、韓國蔚山國立科學技術院（UNIST）Feng Ding課題組和美國賓夕法尼亞州立大學Sulin Zhang課題組于2021年聯合發表在《Nano Letters》（https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c01910）上。原文：Lithium Deposition-Induced Fracture of Carbon Nanotubes and Its Implication to Solid-State Batteries。
轉自《石墨烯雜志》公眾號
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