对安全和高密度储能器件的需求不断增长，研究重点已从基于液体电解质的锂离子电池转向固态电池 (SSB)。然而，不可控的锂枝晶生长和短路阻碍了SSB的应用，其机制仍然难以捉摸。在此，我们概念化了一种方案，以可视化碳纳米管(CNT)内有限空间中的锂沉积，来模拟固体电解质(SE)裂纹内的锂沉积动力学，其中高强度CNT壁模拟机械强度高的SE。我们观察到沉积的锂在碳纳米管中以蠕动固体的形式传播，为应力松弛提供了有效的途径。当应力松弛通路被阻断时，锂沉积引起的应力达到千兆帕水平并导致碳纳米管断裂。力学分析表明，界面亲锂性是控制锂沉积动力学和应力松弛的关键。我们的研究为抑制锂枝晶生长和构建高能量密度、电化学和机械坚固的SSB提供了关键策略。
 
 
Figure 1. (a-i，j-p)两组延时TEM图显示由锂在CO₂环境中沉积引起的CNT断裂。施加的电压在a-i中为-0.8 V，在j-p中为-1 V。I-III分别是d、g和i的局部放大倍数，显示沉积的锂的正面覆盖有薄薄的Li₂CO₃层。箭头指出锂沉积前沿。白色箭头指出CNT壁的断裂位置。
 

Figure 2.（a-h）原始和（j-q）锂化碳纳米管的拉伸实验。(h，q)原始和锂化的CNT均表现出脆性断裂，显示出垂直于CNT纵向的尖锐断裂表面（红色箭头）。(i，r)力-位移和应力-应变图分别对应于(a-g)和(l-p)。
 
 
Figure 3. (a-f，m-p)原始和 (g-l，q-t) 锂化碳纳米管的径向压缩。(a，g) 压缩实验的实验配置示意图。(b-f，h-l)连续TEM图分别显示原始和锂化CNT的压缩过程。请注意，对于原始CNT，它(f)在释放压缩后恢复到其初始形状，表明原始CNT具有良好的弹性。然而，（l）锂化碳纳米管在压缩后表现出脆性断裂特性。 (m-o，q-s) FEA模拟分别显示在b-f和h-l中的实验结果。提供了纵向和横截面图。(p，t)分别对应于a-f、m-o和g-l、q-s的实验和模拟力-位移图以及最大环向和轴向应力-位移图。
 
 
Figure 4. 碳纳米管中锂沉积过程中的锂沉积动力学和应力松弛和积累。(a)沉积在CNT（浅绿色）内的锂枝晶（灰色）的示意图。白色箭头指向沉积应力为σ₀的沉积位置。沉积应力传递到近端和远端（浅蓝色）的Li₂O或Li₂CO₃层。在锂金属和锂化的CNT之间形成界面层，在CO₂环境中使用Li₂CO₃，在真空环境中使用Li₂O。(b，c) 界面剪切阻力(τ)与摩擦系数μ成比例，这取决于界面的亲锂性。界面处的润湿角在CO₂环境中为~126°，在真空中为~90°，表明真空中的 μ小于CO₂环境中的μ。(d)对应于不同的摩擦系数，沉积应力σ₀可能呈指数衰减（μ> 0，对于CO₂环境）或均匀（μ≈0，对于真空环境）。对于后者，均匀压应力推动Li₂CO₃层在近前和远前的传播，而对于前者，发生对称性破坏，近前传播但远前停止。
 
       相关研究成果由燕山大学Yongfu Tang、Jianyu Huang课题组、韩国蔚山国立科学技术院（UNIST）Feng Ding课题组和美国宾夕法尼亚州立大学Sulin Zhang课题组于2021年联合发表在《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。

转自《石墨烯杂志》公众号