Nano Energy: 一种采用3D掺氟石墨烯/多孔碳网络制备稳定锂金属负极的协同策略

【引言】

近年来，锂离子电池作为电化学储能系统的重要代表，得到越来越多研究人员的青睐。其中，以锂作为负极的锂离子电池具有极高的理论比容量（3860 mAh g^-1），因而具有极高的应用潜力。然而，由于锂枝晶的不可控生长引起了一系列的问题，使其难以商业化。该研究提出了一种通过掺氟石墨烯植入多孔碳网络形成一种三维结构的策略，用以抑制锂枝晶的生长、提升固体电解质的稳定性，从而提高锂金属负极的性能。

【成果简介】

近日，国家纳米科学中心的智林杰研究员、李祥龙研究员和北京滚球体育 大学的李立东教授（共同通讯作者）等人采用掺氟石墨烯植入碳网络的方法制备了三维金属锂负极。该研究以掺氟石墨烯注入多孔碳网络作为锂电池的多功能基底，通过结构和界面的协同作用来控制锂枝晶的成核和生长，从而提高金属锂负极的稳定性。其中掺氟石墨烯/多孔碳复合网络（MGCN）具有三个显著的优点：第一，三维分级孔隙度能够较好地调节循环时Li剥离/电镀行为所引起的体积变化，从而保证循环过程中电极的稳定性。第二，高的比表面积显著地降低了局部电流密度，从而抑制了锂枝晶在初始成核阶段的生长。第三，石墨烯的引入有利于提高该网络的导电性。所制备的负极具有良好的电化学性能，在300次循环后依然保持了99%的平均库仑效率。相关研究成果以“A synergistic strategy for stable lithium metal anodes using 3D fluorine-doped graphene shuttle-implanted porous carbon networks”为题发表在国际顶级期刊Nano Energy（影响因子：12.3）上。

【图文导读】

图一、MGCN的合成机理和其作为基底与锂金属负极构成结构和界面协同作用的优势

图二、MGCN的形态与结构表征

（a）MGCN在铜泡沫模板去除前后的照片（从左到右）
（b-f）MGCN的SEM分析
（g-i）MGCN的TEM分析
（j）MGCN的氮气吸附-脱附等温线
（k）MGCN的拉曼光谱分析
（l）MGCN 的C 1s XPS分析
（m）MGCN 的F 1s XPS分析

图三、MGCN的电化学性能分析

MGCN和泡沫Cu基对称电池的循环性能对比
（a）电流密度和剥离/镀层容量分别为0.5 mA cm^-2和1 mAh cm^-2
（b） 电流密度和剥离/镀层容量分别为1 mA cm^-2和2 mAh cm^-2
MGCN和控制电极的库仑效率对比
（c）电流密度和剥离/镀层容量分别为1 mA cm^-2和2 mAh cm^-2
（d）电流密度和剥离/镀层容量分别为2 mA cm^-2和1 mAh cm^-2

图四、MGCN的电化学性能表征

（a）不同循环次数下MGCN的电压分布
（b）不同循环次数下的Cu泡沫的电压分布
（c）120次循环后MGCN和Cu泡沫电极的Nyquist图
（d）MGCN和Cu泡沫电极在200次循环的电压滞后分析

图五、循环后电极的形态表征

（a-b）120次剥镀循环后镀锂MGCN电极的SEM
（c-d）120次循环后镀铜泡沫电极的SEM

【小结】

该研究采用自支撑的三维掺氟石墨烯/多孔碳网络作为锂的多功能基底，提出了一种协同策略，以抑制锂枝晶的生长，促进固体电解质的稳定性，从而提高锂金属负极的性能。该方法强调结构和界面协同作用来控制锂镀层的成核和生长，从而促进高效率的锂电镀/剥离行为。该研究结合简单有效的制备工艺，为锂离子电池系统制备无枝晶锂金属负极提供了可行的选择，同时也为其它高性能金属电池的结构提供了新的参考策略。

文献链接：A synergistic strategy for stable lithium metal anodes using 3D fluorine-doped graphene shuttle-implanted porous carbon networks（Nano Energy, 2018, DOI: 10.1016/j.nanoen.2018.04.040）

本文由材料人编辑部新人组朱蒙编辑，周伟审核，点我加入材料人编辑部。

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