陈明伟日本东北大学团队Adv. Mater.：亲锂性3D纳米多孔氮掺杂石墨烯作为无枝晶和超高速锂金属负极

【引言】

目前，阻碍高能量密度可充电电池的锂金属负极的关键瓶颈是枝晶生长和充电-放电期间的体积变化。理论上，可以将锂负载到高表面积、导电和亲锂性表面的多孔支架中解决这些问题。然而，尚未发现能够承载锂的同时，承受大电流密度的材料。轻质多孔碳材料，包括碳纳米管和石墨烯，具有低质量密度、优异的导电性和电化学稳定性，使其成为有潜力的Li金属负极支撑材料。然而，这些碳骨架通常是疏锂的，因此需要额外的亲锂表面改性。本文开发了一种纳米多孔氮掺杂石墨烯负载Li金属负极，其具有显著的循环稳定性和倍率性能，与LiFePO₄正极配对时，具有优异全电池性能。

【成果简介】

近日，美国约翰霍普金斯大学陈明伟（通讯）与日本东北大学团队，报道了锂金属负极支架材料的亲锂性3D纳米多孔氮掺杂石墨烯。纳米多孔石墨烯的高表面积、大孔隙率和高导电性不仅无枝晶剥离/电镀，还具有适应锂体积变化的开放空间。这种巧妙的脚手架结构，赋予锂金属负极长期循环稳定性和超高速率能力，显着提高可充电锂电池的能量存储性能。相关成果以“Lithiophilic 3D Nanoporous Nitrogen-Doped Graphene for Dendrite-Free and Ultrahigh-Rate Lithium-Metal Anodes”为题发表在Advanced Materials上。

【图文导读】

图 1 纳米多孔氮掺杂石墨烯-Li金属负极的制备示意图及SEM图像

（a）纳米多孔氮掺杂石墨烯-Li负极的制备示意图（实物图：氮掺杂的石墨烯和氮掺杂的石墨烯-Li负极；

（b）纳米多孔氮掺杂石墨烯的SEM图像；

（c）氮掺杂石墨烯-Li负极的SEM图像；

（d）纯石墨烯-Li负极的SEM图像。

图 2 纯Li箔、纯石墨烯-Li和氮掺杂石墨烯-Li电池的性能表征

（a）在1 mA cm^-2的电流密度下，1mAh cm^-2的剥离/电镀容量时，纯Li箔、纯石墨烯-Li和氮掺杂石墨烯-Li对称电池的恒电流循环图（插图：对应的电压曲线）；

（b）在5 mA cm^-2的电流密度下，10 mAh cm^-2的剥离/电镀容量时，对称氮掺杂石墨烯-Li电池的恒电流循环图；

（c）在面积容量为12 mAh cm^-2时，在电流密度为0.5至24 mA cm^-2下，氮掺杂石墨烯-Li电极的倍率性能图。

图 3 纳米多孔氮掺杂石墨烯-Li负极循环前后的SEM图

（a-d）纳米多孔氮掺杂石墨烯-Li负极的SEM图像；

（e-h）在电流密度为1 mA cm^-2下，以1 mAh cm^-2剥离/电镀容量，纯Li负极50次循环前后的SEM图像；

（i-j）在1 mA cm^-2的电流密度下，以1 mAh cm^-2的剥离/电镀容量循环50次后，纳米多孔氮掺杂石墨烯-Li负极截面的放大图。

图 4 Li||LiFePO₄和氮掺杂石墨烯-Li||LiFePO₄电池的性能对比图

（a）在0.2 C电流密度下，Li||LiFePO₄和氮掺杂石墨烯-Li||LiFePO₄电池的充电放电曲线图；

（b）在0.2-20 C的电流密度下，Li||LiFePO₄和氮掺杂石墨烯-Li||LiFePO₄电池的倍率性能图；

（c）在0.2C电流密度下，Li||LiFePO₄和纳米多孔氮掺杂石墨烯-Li||LiFePO₄电池的循环性能图。

【小结】

本文开发了一种高性能的锂金属负极，采用3D纳米多孔氮掺杂石墨烯作为Li金属的稳定轻质支撑结构。纳米多孔氮掺杂石墨烯具有亲锂表面、快速的质量传输通道和高电导率，可以解决充电和放电中锂枝晶生长和体积变化的问题。研究表明，在对称电池和LiFePO₄配对的全电池中，其容量、循环寿命和倍率性能都有显著提升。本文是第一次发现在24 mA cm^-2的高电流密度下，3D纳米多孔氮掺杂石墨烯-Li金属负极可达到12 mAh cm^-2的高比表面积容量；在36 mA cm^-2下，其具有的超快速率；在1 mAh cm^-2的容量下，复合负极可以稳定循环。该研究为锂电池设计高效可靠的锂金属负极提供了新途径。该策略也可应用于其他金属电极的开发和应用。

文献链接：Lithiophilic 3D Nanoporous Nitrogen-Doped Graphene for Dendrite-Free and Ultrahigh-Rate Lithium-Metal Anodes（Advanced Materials, 2018, DOI: 10.1002/adma.201805334）。

本文由材料人编辑部张金洋编译整理。