利用固相合成的硼掺杂碳点调控锂负极的有序沉积

doi:10.7503/cjcu20240185

摘要/Abstract

摘要：

通过固相合成方法制备了一种硼掺杂的碳点(B-CDs), 并将其作为锂电池的电解液添加剂. 在空气中催化热解碳源制备碳点, 具有产量大、产率高、安全可控和操作方便等优点. 以间苯三酚和硼酸为原料合成的硼掺杂碳点, 在碳酸酯类电解液中具有良好的分散性. 掺杂的硼原子作为缺电子中心, 可通过路易斯酸碱作用结合含氟阴离子基团, 从而诱导锂离子均匀沉积到锂金属负极上. 当B-CDs的添加量为0.3 mg/mL时, 锂对称电池在电流为0.5 mA/cm², 电沉积量为0.5 mA·h/cm²的测试条件下可稳定循环2500 h, 说明该碳点添加剂极大提升了锂沉积/溶解的可逆性. 使用B-CDs添加后的电解液组装磷酸铁锂全电池, 初始容量为144.4 mA·h/g, 100次循环后容量保留率可以达到95.1%.

关键词: 碳点, 硼掺杂, 电化学储能, 电解液添加剂, 锂金属负极

Abstract:

Boron-doped carbon dots（B-CDs） synthesized via solid-phase method were employed as electrolyte additives for lithium metal batteries. The carbon dots were prepared through the catalytic pyrolysis of carbon sources in air， highlighting high yield， efficiency， safety， and convenience. Synthesized from 1，3，5-trihydroxy-benzen and boric acid， the B-CDs exhibited excellent dispersibility in carbonate-based electrolytes. The doped boron atoms， serving as electron-deficient centers， could engage fluorinated anion groups through Lewis acid-base interactions， thus inducing uniform lithium-ion deposition on the lithium anode. At an additive concentration of 0.3 mg/mL， a lithium symmetric cell demonstrated stable cycling for 2500 h under a current density of 0.5 mA/cm² and a plating capacity of 0.5 mA·h/cm²， indicating that the carbon dot additive significantly enhanced the reversibility of lithium deposition/dissolution. When these carbon dots were incorporated into electrolytes of a LiFePO₄ full cell， an initial capacity of 144.4 mA·h/g was achieved， with a capacity retention of 95.1% after 100 cycles.

Key words: Carbon dots, Boron doping, Electrochemical energy storage, Electrolyte additive, Lithium metal anode

中图分类号:

O646

TrendMD:

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图/表 8

Fig.1 TEM image of the B⁃CDs

Fig.2 FFT results of B⁃CDs

Fig.3 XRD pattern(A), size distribution results(B) and FTIR spectrum of B⁃CDs(C)

Fig.4 XPS spectra of survey(A), C1s (B), B1s (C) and O1s (D) of B⁃CDs

Fig.5 Optimal and fluorescence picture(A), PL spectra(B), impedance test results(C) of electrolytes with different CDs concentrations, conductivities of MJS⁃303(a) and electrolytes with different B⁃CDs of n(1,3,5⁃trihydroxy⁃benzen)/n(boric acid)=4∶1, 1∶1, 1∶4(b—d)(D)

Fig.6 Comparison of cycling performance of symmetrical batteries with electrolyte of different B⁃CDs concentrations at 0.5 mA/cm2 current and 0.5 mA‧h/cm2 capacity(A), scheme of the interaction between boron⁃doped structures and fluorine⁃containing anions(B)

Fig.7 ESW of electrolyte with 0.3 mg/mL B⁃CDs(A), CV curves of full cell with LiFePO4(B), V2O5(C) and LiCoO2(D) cathodes at a scan rate of 0.1 mV/s

Fig.8 Cycling performance of Li|LiFePO4 cells cycled in electrolytes with or without B⁃CDs

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