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还原氧化石墨烯引导平面锂层定向生长

锂金属具有超高的理论比容量(3860 mA h g-1)和极低的电极电位(-3.040 V vs.标准氢电极),有望改变当前的二次电池技术,因而受到了广泛关注。然而,金属锂负极表面在重复的充放电过程中会形成枝晶,枝晶断裂会形成“死锂”,导致电池库伦效率降低,循环性能变差,造成电池内部短路,甚至引发火灾或爆炸,存在很多安全隐患,严重阻碍了其应用发展。为解决这一问题,研究学者们提出了很多方案,均取得了积极的结果,但是却很少关注锂金属的固有电结晶特性及其潜在机理,缺乏对锂金属在反复电沉积/剥离过程中的本征电结晶特性的基本理解。


近期,西北工业大学纳米能源材料研究中心谢科予教授、北德克萨斯大学夏振海教授和特拉华大学魏秉庆教授合作,利用金属锂的电结晶特性在自组装的还原氧化石墨烯(rGO)上实现了平面锂层的定向生长。采用原位光学观测的方法对该平面锂层的形态演变进行了监测,发现当使用rGO衬底进行电沉积时,锂金属沿平行于衬底方向进行沉积。实验和分子动力学模拟结果表明,沿着锂(110)晶面的两个锂原子的长度(4.96 Å)与沿着石墨烯之字形方向的两个碳六边形的长度(4.92 Å)重合,良好的面内晶格匹配导致了锂在rGO衬底上的外延排列,实现了平面锂层的定向生长。所获得的平面锂阳极在20 mA cm-2的超高电流密度下显示出优异的循环稳定性。基于这种特殊的形貌特征,将其应用于锂硫电池体系,制备了一种具有高度柔性的以rGO引导的平面锂层作为负极的锂硫全电池,其具有显著的容量稳定性(400圈循环后容量保持率达81%),高能量密度(754 Wh kg-1)和功率密度(377 W kg-1)。这项研究工作丰富了对锂金属电结晶的基本理解,为解决可充电锂金属电池商业化面临的最大挑战提供了指导。

图1 以rGO衬底进行锂沉积时的结构与形貌表征


图2 rGO衬底和商用铜箔上锂电沉积的原位光学观察


图3 分子动力学模拟锂金属在rGO上的沉积


图4 以3D rGO@S为正极,rGO@Li为负极的锂硫全电池的电化学性能


该论文由西北工业大学纳米能源材料研究中心谢科予教授、北德克萨斯大学的夏振海教授和美国特拉华大学魏秉庆教授为通讯作者,西北工业大学材料学院博士生李楠张坤为共同第一作者。本研究工作得到了国家自然科学基金的资助,于近期发表在了Wiley旗下期刊Advanced Materials 上。


原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

Reduced-Graphene-Oxide-Guided Directional Growth of Planar Lithium Layers

Nan Li, Kun Zhang, Keyu Xie, Wenfei Wei, Yong Gao, Maohui Bai, Yuliang Gao, Qian Hou, Chao Shen, Zhenhai Xia, Bingqing Wei

Adv. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adma.201907079


导师介绍

谢科予

https://www.x-mol.com/university/faculty/26801

魏秉庆

https://www.x-mol.com/university/faculty/26800


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