万立骏郭玉国Adv.Mater.：轻量级氮掺杂石墨碳海绵均匀成核生长金属锂用于锂金属电池负极

【引言】

金属锂由于具有高理论比容量、低还原电势、低密度的优点，被认为是下一代电池-金属锂电池负极的有效取代者。然而，锂枝晶生长问题造成的低库伦效率、短循环寿命、安全问题等，严重阻碍了金属锂电池的发展。

近年来，关于以上问题的解决策略有很多相关报道。一方面是通过修饰液态电解质来稳定锂/电解液界面，或者构建人工SEI膜。另一方面是构建固态电解质和物理保护层来抑制锂枝晶的生长。但是这些策略都有一个明显的问题：过多的添加物增加了额外重量，从而使得金属锂负极复合物的比容量大打折扣。

【成果简介】

近日，来自中科院化学所的万立骏院士和郭玉国研究员在著名期刊Advanced Materials上发表了题为”Uniform Lithium Nucleation/Growth Induced by Lightweight Nitrogen-Doped Graphitic Carbon Foams for High-Performance Lithium Metal Anodes”的文章。该文章报道了一种原位氮掺杂柔性三维石墨碳海绵体作为金属锂电池的轻量级集流体，从而实现锂均匀成核和生长。均匀的含氮官能团使得锂粒子在小成核过电势下均匀地生长，并且初始的锂成核种子层使锂的生长更有规律，同时完成了锂枝晶在“发芽”状态的转变。而且，高比表面积、3D多孔框架、重量轻等特点使得局域电流密度较低，减小了循环过程中的体积变化，获得了高容量。

【图文导读】

图一：氮掺杂石墨碳海绵的表征。

a) SEM图；

b) TEM图；

c) XRD图；

d) 拉曼光谱图；

e) N 1s的XPS图；

f) 氮气吸附曲线以及孔径分布图。

图二：不同电流密度下循环后的石墨碳海绵体表征。

a) 循环前的SEM图；

b) a中放大的SEM图；

c) 2mAh cm^-2嵌锂的SEM图；

d) c中放大的SEM图；

e) 4mAh cm^-2嵌锂的SEM图；

f) 10mAh cm^-2嵌锂的SEM图；

g) 6mAh cm^-2脱锂的SEM图；

h) 10mAh cm^-2脱锂的SEM图；

i)C^-, j)Li^-,k) C^-和Li^-总谱的ToF-SIMS元素分布分析；

l)ToF-SIMS溅射时间和强度关系图。

图三：铜箔和氮掺杂石墨碳海绵体锂成核和生长过程对比。

图四：电化学性能表征。

2mA cm^-2电流密度a) 2mAh cm^-2b) 2mAh cm^-2c) 2mAh cm^-2面积容量下循环的库伦效率比较；

d) 不同充放电次数的直流充放电图；

e) 不同电流密度下直流充放电图；

f) 1.5-2.5mAh cm^-2的电压分布放大图。

图五：对称电池和全电池的性能表征。

a) 2mA cm^-2电流密度下和b) 3mA cm^-2电流密度下电压分布图；

c) 2mA cm^-3电流密度下和 d) 2mA cm^-3电流密度下的平均电压图；

e) 全电池的充放电曲线；

f) 全电池的长循环性能。

【小结】

合成了一种氮掺杂石墨碳海绵体作为金属锂的优良集流体，实现了锂均匀成核和生长，有效地提高了其电化学性能。由于其碳框架包含了含氮功能团，提供了均匀的成核位点，使得锂离子在首次嵌锂时更规则。再生的锂成核种子层有利于锂的均匀生长。此外，集流体的高比表面积和良好导电性降低了电流密度，抑制了锂枝晶的生长。而且，3D多孔结构缓解了嵌锂/脱锂过程中的体积变化，稳定了SEI膜的形成并提高了电化学性能。在循环过程中，无枝晶的锂拥有高库伦效率(99.6%)和超长的循环寿命(1200h)。另外在低过电势下锂负极复合物拥有大容量(10mAh cm^-2,3140mAh g^-1_NGCF-Li)，轻量级的氮掺杂石墨碳海绵体有较高的电流密度(10mA cm^-2)。

文献链接:Uniform Lithium Nucleation/Growth Induced by Lightweight Nitrogen-Doped Graphitic Carbon Foams for High-Performance Lithium Metal Anodes(Adv.Mater: 10.1002/adma.201706216)

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