柵欄狀蝕刻銅箔上的摻氟碳量子點界面層

引言

由于其卓越的能量密度和長壽命，鋰離子電池(LIBs)廣泛用于電動設(shè)備，如軍用無人機、電動車輛和動力輔助服，這些設(shè)備需要高重量或體積能量密度。然而，盡管在各種電動裝置中使用，它們?nèi)匀痪哂嘘P(guān)鍵的問題，例如由于不穩(wěn)定的界面狀態(tài)導(dǎo)致的在超快速充電條件下低穩(wěn)定性的低里程和差的循環(huán)容量。

特別地，在超快速充電條件下，由于活性材料的體積膨脹、有限的鋰/電子氧化還原反應(yīng)動力學和集電器的快速腐蝕而導(dǎo)致的電極剝離在電極和集電器之間的界面處加速，從而降低了LIBs的比容量和循環(huán)穩(wěn)定性。盡管活性材料的體積膨脹和界面穩(wěn)定性有所改善，但是電極從集電器上剝離仍然是一個嚴峻的挑戰(zhàn)。近年來，已經(jīng)進行了一些嘗試來防止由集電器腐蝕引起的電極剝離，并通過界面改性來改善超快循環(huán)性能。

實驗與討論

我們通過水熱反應(yīng)和后煅燒制備了F-cqd。首先，通過水熱反應(yīng)合成了量子點。為了合成cqd，將0.5M檸檬酸和0.45M尿素溶解在去離子水中并攪拌2小時。然后，將所得溶液轉(zhuǎn)移到80mL聚四氟乙烯襯里的不銹鋼自動高壓釜中讓其在180℃下反應(yīng)6小時。最后，將所得溶液以10000 rpm離心2次，每次20分鐘，并使用截留分子量為12–14 kDa的管式膜過濾24小時，以獲得CQD粉。

過濾的CQD粉末在50℃的常規(guī)烘箱中干燥。通過后煅燒將F摻雜到CQD粉末中來合成F-CQD。為了獲得F-CQD，將如此制備的CQD和用作F摻雜源的C2HF3O2在去離子水中以1∶1的重量比混合，并在干燥爐中在50℃干燥12小時。然后使用管式爐在高純氮氣氛(N2，99.999%)中在800℃下進行后煅燒2小時。為了制備用于噴涂的F-CQD的分散溶液，將F-CQD粉末分散在NMP中并超聲處理12小時。

圖1顯示了銅箔的電化學蝕刻和噴涂過程的示意圖。使用恒電位儀/恒電流儀在基于氨的電解液中通過電化學蝕刻在銅箔上形成柵欄狀界面，該電解液用作蝕刻劑。

圖1：制備F-CQD界面層

化學蝕刻的具有柵欄狀表面的銅箔是提高電極和銅箔之間粘附力的重要因素。英思特通過噴涂工藝將F-CQD界面層施加到蝕刻的銅箔上。由于其獨特的量子效應(yīng)和C–F鍵，F(xiàn)-CQD界面層為銅箔提供了高導(dǎo)電性和優(yōu)異的化學穩(wěn)定性。

此外，從強金屬-載體相互作用(SMSI)的角度來看，由于官能團的高表面積，F(xiàn)-CQD與銅箔具有強相互作用，這可以增加F-CQD和銅箔之間的粘附力。特別地，F(xiàn)-CQD界面層有效地阻止了電解液分解形成的HF對銅箔的腐蝕，這是由于它們的高階梯覆蓋率。因此，在蝕刻的銅箔上引入F-CQD界面層是在超快循環(huán)性能期間增加電荷轉(zhuǎn)移和防止電極-集電器界面處銅箔的電化學腐蝕的有效策略。

結(jié)論

在這項研究中，英思特提出了一種在超快LIBs中設(shè)計電極和集流體界面的新策略。這是通過在柵欄狀蝕刻銅箔上涂覆一層CQD界面層來實現(xiàn)的。這提供了協(xié)同效應(yīng)，改善了超快循環(huán)性能和電化學動力學。

特別地，F(xiàn)-CQD蝕刻銅電極的超快循環(huán)穩(wěn)定性為94.1%，比裸銅電極的超快循環(huán)穩(wěn)定性高1.5倍。這些結(jié)果可以歸因于柵欄狀腐蝕銅箔上的F-CQD界面層的下列多功能效應(yīng)。首先，循環(huán)穩(wěn)定性的提高可歸因于由于在銅箔上形成柵欄狀蝕刻圖案而增加了電極和銅箔之間的接觸面積。

第二，突出的超快循環(huán)容量是由于收集/提供位點的數(shù)量增加，這增加了電子和鋰離子的反應(yīng)。第三，引入的F-CQD界面層顯著防止了銅箔的腐蝕，從而提高了超快循環(huán)穩(wěn)定性。因此，在柵欄狀腐蝕銅箔上引入CQD界面層是提高鋰離子電池超快循環(huán)性能和電化學動力學的有效策略。

審核編輯 黃宇