锂金属的高比容量是满足可充电电池当前需求的理想选择，但锂枝晶的不可控生长和不可逆的体积膨胀是其应用面临的主要挑战。3D锂主体材料可以通过降低大表面积的电流密度并在其孔中容纳锂金属来缓解这些问题。然而，由于锂离子通过曲折的孔扩散缓慢，锂枝晶持续形成，导致堵塞，从而导致不可控的枝晶生长。

近日，美国德州农工大学Choongho Yu报道了在碳纳米管（CNTs）支架的外表面或支架内单个CNT的外表面涂覆了MOF膜（LM-CNT），通过在Operando电池中的直接观察和在SEM下对CNT电极横截面的非原位观察，研究了LM-CNT的镀锂行为。

文章要点

1）研究发现，LM-CNT的MOF层促进了锂向集电器的深部插入/沉积，没有明显的枝晶生长，直到24 mAh cm⁻²（电流密度为8 mA cm⁻²）的容量，优于化学处理的CNT（C-CNT）（10 mAh cm⁻²）和在单个CNT的所有表面覆盖MOF（IM-CNT）（4 mAh cm⁻²）。

2）研究发现，由于CNT上的亲锂官能团，在CNT内部和外部实现了严格的锂镀，EIS结果证实了电子绝缘的LM-CNT提供了电容效应，将锂的插入/提取分布在MOF层的整个表面。相反，C-CNT孔隙入口的官能团会吸引锂离子，导致堵塞。

3）实验结果显示，LM-CNT|Li不对称电池在2.5~2 0 mA cm⁻²电流密度下工作1700 h，面积容量为20 mAh cm⁻²，在大电镀容量（20 mAh cm−2 cycle⁻¹）下表现出优异的累积容量（4.9 Ah cm⁻² cycle⁻¹）。LM-CNT的体积容量（≈940 mAh cm⁻³）和重量容量（≈980 mAh g⁻¹）远高于传统石墨负极（≈503 mAh cm⁻³和≈259 mAh g⁻¹）。此外，LM-CNT负极具有高电流密度和高容量，并配以比容量远高于传统锂离子电池的硫正极，在600次循环中表现出接近100%的库仑效率。

这项研究提出了一种很有前途的策略，可以避免多孔电极中Li枝晶的形成和堵塞，这对于开发需要高电流密度和高容量的高能量密度可充电锂电池至关重要。

参考文献

Juran Noh, et al, Large Cumulative Capacity Enabled by Regulating Lithium Plating with Metal–Organic Framework Layers on Porous Carbon Nanotube Scaffolds, Adv. Funct. Mater. 2021

DOI: 10.1002/adfm.202104899

https://doi.org/10.1002/adfm.202104899