江西理工大学《CEJ》：基于电负性石墨烯薄膜的稳定锂金属电池界面化学调控

成果简介

为了实现锂（Li）金属阳极在高能量密度电池中的实际应用，必须克服固体电解质相间层（SEI）不均匀以及锂电化学剥离/沉积行为不规则等主要挑战。为了使 Li+ 分布均匀并稳定 SEI 层，本文，江西理工大学刘先斌 副教授、吴子平 教授团队在《Chemical Engineering Journal》期刊发表名为“Electronegative graphene film based interface-chemistry regulation for stable lithium metal batteries”的论文，研究报告了一种电负性可控的部分还原氧化石墨烯（PrGO）薄膜，作为构建复合电极（PrGO@Li）的理想锂主体。制备的 PrGO 具有可调的氧量和负电荷，可实现可控的锂容量，避免锂过剩。更重要的是，负电性PrGO薄膜基质可产生静电力，从而调节 Li+ 的分布模式和扩散动力学，诱导出均匀稳定的富含 LiF 的 SEI 和高度保形的 Li+ 剥离/沉积行为，而不会产生锂枝晶。

因此，在20mA cm-2 和10mAh cm-2 下循环使用2000小时后，最佳 PrGO@Li电极可提供长期可逆的Li+剥离/沉积过程，过电位极低（7 mV）。此外，基于这种阳极和磷酸铁锂阴极配对的全电池具有出色的循环稳定性、高倍率容量和卓越的灵活性。同时，可控的 PrGO 薄膜还能与硫一起作为阴极装入锂/硫电池，从而获得令人满意的效果。该研究深入分析了石墨烯宿主与 Li+ 在电化学行为上的中介机理，为高性能金属锂电池的开发提供了普遍指导。

图文导读

图1.超薄PrGO@Li薄膜的制备策略和力学性能

图2.不同温度下PrGO@Li膜的结构和性能

图3.基于不同还原温度和锂PrGO@Li膜的对称电池电化学性能

图4.基于机理分析的形貌检测、SEI深度测试和理论模拟

图5.基于PrGO@Li-400负极的全电池与纯锂负极的电化学性能比较

小结

在这项研究中，我们设计并优化了一种电负性 PrGO 薄膜作为理想的锂宿主，并通过实验和计算分析证明了氧官能团对 Li+ 电化学行为的影响。这些具有可调氧含量和强电负性的 PrGO 薄膜可以吸收熔融金属锂，形成具有高强度和可控面积容量的超薄 PrGO@Li 薄膜。与孔隙率和电导率相比，结合能低的氧基团对锂的渗入起着更为重要的作用。具有适当界面表征的优化电极（PrGO@Li-400）可诱导表面 Li+ 浓度增加并保持均匀分布，从而同时形成薄、均匀和稳定的 SEI 层。所形成的 SEI 层具有丰富的 LiF 成分和较高的 Li+ 离子电导率。均匀的 SEI 结构和氧基团的强电负性促进了锂的均匀成核和横向生长，从而形成了无树枝状或死锂的密集锂形态。基于对称电池，经过优化的电极在 20 mA cm-2 和 10 mAh cm-2 下实现了锂镀层/剥离行为的高度可逆性和较低的过电位，持续时间超过 2000 小时。此外，基于没有多余金属锂的 PrGO@Li 薄膜阳极组装的全电池（硬币和小袋）也显示出了出色的柔性存储特性。这种界面化学策略为从根本上理解宿主分子结构对Li+行为的影响、高利用率以及高性能锂电池阳极的合理设计提供了新的视角。

文献:https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.147304