實(shí)用的鋰金屬電池的最大挑戰(zhàn)是如何充分、可逆地利用鋰負(fù)極。帶有大量鋰成核位點(diǎn)的預(yù)制三維（3D）多孔骨架能夠引導(dǎo)鋰沉積在3D骨架的空腔中，從而抑制枝晶生長和尺寸變化。本文中，我們設(shè)計(jì)了一種用于3D石墨烯和內(nèi)部Mg
xLi
y種子的鋰金屬負(fù)極納米膠囊結(jié)構(gòu)。3D復(fù)合負(fù)極不僅可以通過簡單且可擴(kuò)展的方法制備，還可以滿足實(shí)際電池中高能量密度和長循環(huán)壽命的要求。在通過透射電子顯微鏡觀察鋰沉積的過程中，發(fā)現(xiàn)鋰金屬主要沉積在3D石墨烯內(nèi)的Mg
xLi
y晶種周圍。此后，當(dāng)復(fù)合負(fù)極與線圈電池中的商用LiFePO
4正極以及袋裝電池中的NCM811（LiNi
0.8Co
0.1Mn
0.1O
2）正極很好地配對(duì)時(shí)，它們能夠提供超過350 Wh·kg
-1的能量密度且高能量保持（> 85％）下的長循環(huán)壽命（> 150個(gè)循環(huán)）。當(dāng)前工作中的3D鋰金屬/石墨烯復(fù)合負(fù)極為高能量密度鋰金屬電池的制造提供了有希望的新途徑。
Figure 1. 3D Mg
xLi
y/LiF-Li-rGO負(fù)極：a）Mg
xLi
y/LiF-Li-rGO負(fù)極的合成過程和Li沉積/剝離的圖形說明。b）MgF
2-rGO支架和c）3D Mg
xLi
y/LiF-Li-rGO負(fù)極的橫截面SEM圖像。d）3D Mg
xLi
y/LiF-Li-rGO負(fù)極的TEM圖像和EDX映射。
Figure 2. 鋰沉積/剝離后電極的形貌
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Figure 3. 以原位TEM表征的鋰電鍍和剝離行為
Figure 4. 對(duì)稱電池的循環(huán)性能
Figure 5. 電化學(xué)性能。a）MgF
2-rGO、rGO和Cu箔在電流密度為0.5 mA cm
-2且容量限制為1 mAh cm
-2時(shí)的庫倫效率。b）對(duì)應(yīng)的電壓曲線。5b插圖：電壓曲線的成核部分。不同對(duì)稱電池的界面電阻c）循環(huán)前和d）100循環(huán)后。
Figure 6. 電化學(xué)性能。a）倍率性能；b）電壓曲線；c）與Li
+/Li相比，從Mg
xLi
y/LiF-Li-rGO電極剝離Li至1V的電壓曲線；d）循環(huán)性能；e）由NCM811和改性負(fù)極組裝而成的電池，在充電/放電速率為0.2 C/0.4 C，工作電壓窗口為2.75 V–4.25 V時(shí)的電壓曲線，前兩個(gè)循環(huán)是充電/放電速率為0.1 C/0.1 C；f）基于改進(jìn)的Mg
xLi
y/LiF-Li-rGO負(fù)極和NCM811正極的袋裝電池的循環(huán)性能；圖6f的插圖是袋式電池的構(gòu)造。
相關(guān)研究成果于2020年由華南理工大學(xué)Yongcai Qiu課題組和浙江大學(xué)Yingying Lu課題組，發(fā)表在Energy Storage Materials（doi.org/10.1016/j.ensm.2019.12.028）上。原文：High energy density lithium metal batteries enabled by a porous graphene/MgF
2 Framework。
摘自《石墨烯雜志》公眾號(hào)：
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