鋰金屬是下一代高能量密度可充電電池中正極的重要選擇之一。然而，目前依然存在枝晶生長(zhǎng)、死鋰的形成以及鋰金屬正極的體積變化會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的安全隱患（例如短路，火災(zāi)甚至爆炸）。

來(lái)自清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院的學(xué)者利用氧化石墨烯（GO）在大面積上通過(guò)連續(xù)離心鑄造法制備了作為L(zhǎng)i金屬主體。然后使用3D打印模板通過(guò)簡(jiǎn)單的沖孔方法在其中制造對(duì)齊的微通道。GO基體有效地調(diào)節(jié)了鋰的電鍍/剝離行為，而對(duì)齊的通道均勻分布了鋰離子通量，并提供了較短的鋰離子擴(kuò)散路徑。Li/holey-GO復(fù)合材料具有柔性，厚度可控制在50至150µm之間，對(duì)應(yīng)的容量為9.881至27.601 mAh cm-2。因此，正極在100小時(shí)后具有30 mV的低過(guò)電位，≈3538mAh g-1的高容量（理論容量的91.4%），以及高達(dá)50C的優(yōu)異速率能力，使用LiFePO4負(fù)極。holey-GO/Li電極還可與其他負(fù)極配合使用，制成袋式電池，因此適用于各種高能電池系統(tǒng)。相關(guān)文章以“Dendrite-Free Lithium Deposition and Stripping Regulated by Aligned Microchannels for Stable Lithium Metal Batteries”標(biāo)題發(fā)表在AdvancedFunctional Materials。

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https://doi.org/10.1002/adfm.202200682

圖1. a) GO 致密薄膜的制備。b,c)GO 薄膜的照片。d) 多孔 GO/Li 電極制造工藝示意圖。e) 3D 打印引腳模板表面的光學(xué)圖像。f）在 GO 薄膜中獲得的孔的 SEM 圖像。g)Li/多孔 GO 復(fù)合材料纏繞在玻璃棒上，以說(shuō)明其良好的柔韌性。h) 厚度為120 µm 的 GO/Li 電極。

圖2. a) 純 GO 基體和 b) 循環(huán)過(guò)程中多孔 GO 基體上的鋰電鍍和剝離行為示意圖。c，d）在1 mA cm -2電流密度下（c）純GO電極和（d）多孔GO電極中鋰離子濃度的模擬結(jié)果。e-g）：（e）純鋰負(fù)極、（f）未穿孔的GO/Li負(fù)極和（g）多孔GO/Li負(fù)極在1.27 mAhcm -2下循環(huán)30次后的側(cè)視圖SEM圖像。

圖3. a) 在前 400 小時(shí)內(nèi)，由多孔 GO/Li 電極（紅色）、未穿孔的 GO/Li 電極（藍(lán)色）和裸鋰箔電極（黑色）組裝的對(duì)稱電池的恒電流循環(huán)。b) 多孔 GO/Li（紅色）、未穿孔GO/Li（藍(lán)色）和裸鋰箔（黑色）電極的倍率性能依次在 0.64、1.27、2.54 和 6.37 mAcm -2下循環(huán)，然后5 個(gè)循環(huán)后恢復(fù)到0.64 mA cm -2。c，d）原始（c）GO和（d）多孔GO電極中電流密度的模擬。通過(guò)整個(gè)電池的電流密度固定在 6.37 mA cm-2。e) 多孔GO/Li電極的初始厚度和在1.27mA cm -2的電流密度下循環(huán)30次后的厚度。

圖4. a-c) (a) 純鋰負(fù)極、(b)未穿孔的 GO/Li 負(fù)極和 (c) 多孔 GO/Li 負(fù)極在 1.27 mAh cm -2下循環(huán) 1 次后的俯視 SEM 圖像。d-f)在 1.27 mAh cm -2下循環(huán)30 次后的正極俯視圖。g，h）對(duì)稱單元（g）在速率循環(huán)過(guò)程之前和（h）之后的奈奎斯特圖。i) 與銅箔電極配對(duì)的多孔 GO/Li（紅色）、未打孔 GO/Li（藍(lán)色）和裸鋰箔電極（黑色）的電壓分布，以估計(jì)其 CE。

圖5. a) 多孔 GO/Li、未穿孔 GO/Li 和裸鋰箔電極與 LFP 負(fù)極在 1 至 50C 的倍率下的倍率能力。b,c)(b) 多孔 GO/Li ||LFP 和 (c) 未穿孔的 GO/Li ||LFP 電池 1-500 個(gè)循環(huán)的相應(yīng)電壓曲線。d) 帶有 NMC 負(fù)極的多孔GO/Li、未穿孔 GO/Li 和裸鋰箔電極在 0.5 至 10C 的倍率下的倍率能力。e) 帶S 負(fù)極的多孔 GO/Li、未穿孔 GO/Li 和裸鋰箔電極在 0.2 至 2C 的倍率下的倍率能力。

本文通過(guò)用 3D 打印生產(chǎn)的樹脂模板沖壓 GO 薄膜來(lái)生產(chǎn)多孔 GO 結(jié)構(gòu)。將多孔 GO 薄膜與熔融鋰接觸，得到多孔 GO/Li 電極。這些空穴在 GO 基體中提供了對(duì)齊的通道，均勻分布了鋰離子通量，提供了通過(guò)正極的直接傳輸路徑，并容納了鋰的沉積，最終大大避免了鋰枝晶的形成。Li/多孔GO復(fù)合材料在反復(fù)彎曲過(guò)程中表現(xiàn)出優(yōu)異的柔韌性和穩(wěn)定性，適合大面積制造。當(dāng)多孔 GO/Li 用作鋰金屬電池的負(fù)極時(shí)，其在 100、200、300 和 400 小時(shí)后分別具有小于 30、40、90 和 110 mV 的穩(wěn)定和低極化。另外，本文還組裝了全電池配置，其中多孔 GO/Li 負(fù)極比 LFP、NMC 和 SPAN 正極具有更高的容量和更好的倍率性能，表明該設(shè)計(jì)適用于高能鋰金屬電池。（文：SSC）

本文來(lái)自微信公眾號(hào)“材料科學(xué)與工程”。