中南大学《Materials》：轻质3D亲锂石墨烯气凝胶，用于锂金属阳极

成果简介

构建三维（3D）电流收集器是解决锂金属阳极（LMA）发展障碍的有效策略。然而，金属支架结构质量过大会导致能量密度降低。本文，中南大学 Lin Mei等研究人员在《Materials》期刊发表名为“Lightweight 3D Lithiophilic Graphene Aerogel Current Collectors for Lithium Metal Anodes”的论文，研究通过化学还原和冷冻干燥技术合成了由还原氧化石墨烯气凝胶和银纳米线（rGO-AgNW）组成的亲锂石墨烯气凝胶。具有大比表面积的 rGO 气凝胶能有效降低局部电流密度并延缓锂枝晶的形成，而亲锂银纳米线则能为锂的均匀沉积提供场所。在 1 mA cm^-2 的条件下，rGO-AgNW/锂对称电池可稳定循环约2000小时。当与 LiFePO₄正极配合使用时，组装好的全电池表现出卓越的循环稳定性和速率性能。轻质rGO-AgNW气凝胶作为锂金属的主体，可显著提高锂金属阳极的能量密度。

图文导读

图1.（a） 用银纳米线制备还原氧化石墨烯气凝胶的示意图。（b） rGO 气凝胶和 （c） rGO-AgNW 气凝胶的横截面 SEM 图像。（d） rGO-AgNW气凝胶的EDS元素图谱。

图2.（a） rGO和rGO-AgNW气凝胶的XRD图谱。（b） rGO-AgNW气凝胶的XPS表征。（c） rGO和rGO-AgNW气凝胶的拉曼光谱。（d） rGO-20AgNW在空气气氛中的TG测试。（e） N2rGO-20AgNW气凝胶的吸附等温线。（f） rGO和rGO-AgNW气凝胶应力-应变曲线的弹性部分。

图3.(a) 电流密度为 2 mA^cm-2和容量为 1 mAh^cm-2 时的库仑效率。(b) CE 测试期间，两个电极在 2 mA^cm-2电流密度下第一周期的相应放电曲线。(c) 两个对称电池的 EIS 曲线。对称 Li/rGO-Li 和 Li/rGO-AgNW-Li 电池在(d) 1 mA^cm-2, 1 mAh^cm-2,(e) 1 mA^cm-2, 5 mAh^cm-2 和(f) 4 mA^cm-2, 1 mAh^cm-2 下的静电循环。

图4。在容量为(a,c) 3mah cm−2和(b,d) 7mah cm−2的rGO和rGO- agnw电极上，以0.5 mA cm−2电流密度镀锂的俯视图SEM图像。(e)对称电池中rGO-AgNW/Li经过100次循环完全除锂后的SEM图像。

图5.（a） rGO-AgNW/Li|LFP 和 rGO/Li|LFP 电池在 1 C 下的循环性能。（b） 第 10 个循环中充放电曲线和完整电池的部分放大视图。（c） rGO-AgNW/Li|LFP 和 rGO/Li|LFP 电池的倍率性能，以及 （d） rGO-AgNW/Li|LFP 电池的相应电压曲线。

小结

综上所述，通过简单的化学还原法制备了均匀银纳米线修饰的石墨烯气凝胶。rGO-AgNW气凝胶如图5所示。(a) rGO- agnw /Li|LFP和rGO/Li|LFP电池在1c下的循环性能。(b)第10次循环时的充放电曲线和完整电池的局部放大图。(c) rGO- agnw /Li|LFP和rGO/Li|LFP电池的倍率性能和(d) rGO- agnw /Li|LFP电池的相应电压分布图。

轻质3D亲锂石墨烯气凝胶作为电流收集器代表了下一代高能量密度锂金属电池发展的重大进步。这些气凝胶具有优异的性能，如高孔隙率、大表面积和优异的导电性，这对于提高锂金属阳极的性能和稳定性至关重要。此外，石墨烯气凝胶与银纳米线作为电流集热器的集成为轻量化和柔性电池架构的发展开辟了新的可能性，使各种消费电子产品，电动汽车和可再生能源系统的紧凑便携储能设备得以实现。因此，轻质气凝胶作为锂金属电池的电流收集器的探索扩展了电池技术进步的策略。

文献：https://doi.org/10.3390/ma17071693