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​东南大学《AFM》:缺陷氮化硼诱导LiBH4亚表面锂离子迁移!

 材料科学网 2022-08-18 发表于江西

锂离子电池中有机液体电解质的安全问题令人关注,开发高安全性、高能量密度的固体电解质越来越受到人们的重视。氢化物电解质具有高的电化学稳定性和阳极兼容性,可以充分缓解安全焦虑。然而,室温下呈现的低离子电导率仍然有待进一步提升。

来自东南大学的学者采用h-BN缺陷诱导(BH4)-四面体变形的策略来提高LiBH4/BN复合电解质的室温离子电导率。理论计算表明,(BH4)-四面体的体积膨胀了14%。这种四面体变形削弱了LiBH4中的Li-H相互作用力,从而促进了Li离子的迁移。LiBH4/BN复合材料能够在40℃下提供1.15×10-4 S cm-1的锂离子电导率,锂离子迁移数为97%。在室温下的电子电导率极低,为4.59×10-10 S cm-lLiBH4的亚表面提供了所有可能的离子扩散通道中最低的迁移阻碍,为锂离子迁移提供了最佳道路。此外,LiBH4/BN电解质还具有优异的电化学稳定性和电极兼容性。所采用的外场诱导(不仅是缺陷)和配体变形(不仅是(BH4)-)策略也可以扩展到其他固体电解质。相关文章以“Defective Boron Nitride Inducing the Lithium-ion Migration on the Sub-surface of LiBH4标题发表在Advanced Functional Materials

论文链接:

/10.1002/adfm.202205677

1 LiBH4/d-BN复合材料合成示意图。首先通过机械研磨获得缺陷氮化硼d-BN,然后与LiBH4进行球磨以获得均匀的混合物。其后,将混合物在295℃4MPa氢气下加热12h,合成了LiBH4/d-BN)复合材料,LiBH4在高于熔融温度的条件下优先在BN的低势垒缺陷处成核,并表现出显著的缺陷诱导效应。在LiBH4/h-BNLiBH4/d-BN中,B-H1)和B-H2)键分别比纯相LiBH4延长了5%9%LiBH4/d-BN (BH4)-四面体的体积比纯相LiBH4膨胀约14%

2a)初始h-BNb)缺陷BN的原子分辨率HAADF-STEM图像,采用集成差分相位对比(iDPC)成像技术获取;c dLiBH4/2(d-BN)HRTEM图像;d)图为 c的橙色选区中的放大分辨率视图;e LiBH4/2(d-BN)FFT图像。

3a)为LiBH4/d-BN复合材料的FT-IR光谱。在所制备的样品中检测到对应于LiBH4h-BNB-HB-N振动带,同时在918cm-1处识别出B-H振动的吸收峰。b)为LiBH4/BN复合材料的拉曼光谱。LiBH413002300 cm-1附近的谱带大大减弱,是由于大量添加了BN,而在2300 cm-1附近的B–H的轮廓变化可能来自B-H键的变形。

4 a-cLiBH4LiBH4/h-BNLiBH4/d-BN的电子局域函数(ELF)模式。ELF值在[0,1]的数值区间内分配,等高线的密度反映了电子密度。d-gLiBH4LiBH4/h-BNLiBH4/d-BN的总态密度和分态密度(TDOPDO)图。

5 a)具有不同摩尔比的LiBH4/d-BN复合材料及纯相LiBH4的温度-电导率关系曲线;b)用阿仑尼乌斯方程计算的LiBH4/d-BN复合材料和LiBH4的活化能;c-dLiBH4/2(d-BN) LiBH4303K下的7Li固态核磁共振谱。

6:  aLiBH4分别与h-BNd-BN的两相界面处,以及LiBH4/h-BNLiBH4/d-BNLiBH4的亚表面处,锂离子的转移势垒。b)在LiBH4分别与h-BNd-BN的两相界面处,以及LiBH4/h-BNLiBH4/d-BNLiBH4的亚表面处,锂离子的迁移路径;c)比较了LiBH4LiBH4/H-BNLiBH4/d-BN(BH4)-四面体的变形和Li-H之间相互作用力的变化。在LiBH4/d-BN中,B-H明显伸长,导致(BH4)-四面体变形,HLi之间的库仑作用力显著减弱。

7 aLiBH4/2(d-BN)在最初三个循环内的CV曲线;b TiS2|LiBH4/2(d-BN)|Li全电池的恒电流充电/放电曲线;c TiS2|LiBH4/2(d-BN)|Li全电池的循环放电容量和库仑效率;dLiBH4/2(d-BN)的对锂循环充放电曲线,电流密度逐渐增加,到4.6mA cm-2时出现突变,获得临界电流密度;e LiBH4/2(d-BN)的对称锂电池的恒电流循环曲线。

在本研究中,除了通过缺陷诱导提高了LiBH4室温离子电导率外,还观察到如下几点现象:

1d-BN是通过改变了LiBH4的电子分布,才导致(BH4)-膨胀和变形的;

2 (BH4)-四面体的变形削弱了Li+(BH4)-之间的相互作用,从而减少了LiBH4Li离子的束缚;

3)锂离子主要在LiBH4的亚表面转移, LiBH4亚表面的锂离子迁移势垒(低至0.29eV)是所有可能的扩散通道中最低的。

LiBH4/2(d-BN)复合材料还具有05V的宽电化学稳定性窗口(相对于Li/Li+),在70℃下具有优异的Li枝晶抑制能力,临界电流密度为4.6mA cm-2,并且与电极材料具有高兼容性。

所提出的通过缺陷诱导变形来提高离子电导率的策略是可行的。该机制可以扩展到其他输出场和其他固态电解质。这意味着通过这种策略,一方面,LiBH4中的(BH4)-四面体可以通过各种外场进行调节,以提高硼氢化物的离子电导率。另一方面,对于氧化物、硫化物和卤化物的配体和间隙的调控也可通过外场感应实施。

*感谢论文作者团队对本文的大力支持。

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