Chem. Eur. J. ：非晶TiO2壳:作为高性能自愈共晶GaSn纳米液滴室温液态金属电池必不可少的弹性缓冲层

锂离子电池的最大的挑战主要集中在负极材料的容量衰减、循环稳定性、缺乏安全性以及材料供应受限等方面。研究人员发现硅基和锗基材料以及过渡金属氧化物具有较高的理论容量，但这些材料存在锂枝晶生长从而导致隔膜被刺破，电池短路和电池寿命短等问题。有趣的是，低熔点(< 30°C)的液态Ga可以作为室温液态金属电池的负极材料。但镓基合金液态金属电池目前面临着体积膨胀、固体电解质界面（SEI）薄膜不稳定和容量大幅衰减等限制。

为了解决以上问题，本研究利用非晶二氧化钛包覆共晶GaSn纳米液滴（eGaSn NDs），构建了 eGaSn@TiO₂ 纳米液滴（eGaSn@TiO₂ NDs）的核壳结构。非晶态 TiO₂ 壳（约 6.5 nm）形成了稳定的 SEI 膜，缓解了体积膨胀，并提供了电子/离子传输通道，从而实现了优异的循环性能和高比容量。

图1制备eGaSn NDs和eGaSn@TiO₂ NDs负极示意图

eGaSn@TiO₂ ND 复合材料具有以下优点：1）非晶态 TiO₂ 外壳表现出弹性应变松弛行为，可有效缓解 eGaSn ND 的体积变化，确保 SEI 膜在循环过程中的稳定性。2) 非晶 TiO₂ 层存在长程无序和缺陷，提供了较高的锂离子扩散速率，从而提高了锂的可及性和电化学反应活性。3) 合理的核壳结构能有效缓解液态金属在锂化过程中的体积膨胀应力，表现出优异的电化学性能。因此，eGaSn@TiO₂ ND 负极保持了高达 99.7% 的库仑效率，在 5 C 下具有 426 mAh g^-1的可逆容量和相当高的速率性能，在 1 C 下循环 500 次后具有 485 mAh g^-1 的长期循环稳定性。该研究为锂电池设计先进的液态合金基负极材料提供了新思路。

图3 a) eGaSn@TiO₂ ND在0.05 mV s^-1扫描速率下的CV曲线。b) eGaSn@TiO₂ NDs在不同速率下的电压曲线与容量的关系。c) eGaSn NDs和 eGaSn@TiO₂ NDs(从0.1 C到5 C) 的速率能力。d) eGaSn, eGaSn@TiO₂ NDs在1 C下进行500次循环稳定性测试。e) eGaSn和eGaSn@TiO₂ ND的EIS测试。f)不同扫描速率下的eGaSn@TiO₂ NDs及赝电容计算。g) eGaSn@TiO₂ NDs的GITT测试及锂离子扩散系数计算。

论文信息

Amorphous TiO₂ shells: an essential elastic buffer layer for high-performance self-healing eutectic GaSn nano-droplet room-temperature liquid metal battery

Lian Li, Kaizhao Wang, Kaijun Wang, Tianyou Chen, Jing Wang, Zhongshan Deng, Qingming Chen, Weijun Zhang, Jin Hu

Chemistry – A European Journal

DOI: 10.1002/chem.202301774