金屬鋰負極已經是老生常談了，之前我們也對金屬鋰負極做過多篇報道，關於金屬鋰負極的研究基本上都可以總結為一句話“如何避免鋰枝晶的產生”。金屬鋰負極的優點自不必多說，比容量高達3860mAh/g，電壓平臺為-3.05V（vs標準氫電極），可以說是一種非常理想的負極材料的選擇。但是金屬鋰負極也面臨著一個非常棘手的問題——鋰枝晶，這在金屬的電冶金中是一個比較常見的現象，枝晶的生長會造成電池內短路，導致嚴重的安全事故，因此如何避免充電過程中Li枝晶的生長就成為了所有金屬鋰負極研究的核心問題。
近日西北工業大學的MaohuiBai（第一作者）和Keyu Xie（通訊作者）通過採用金屬Li直接還原氧化石墨烯GO的方法在金屬Li的表面生成了一層還原石墨層，石墨烯層的存在能夠很好的抑制Li枝晶的生長，同時穩定SEI墨提高庫倫效率，石墨烯層的存在還能夠顯著的改善金屬Li的倍率性能，實驗表明該電極能夠在5mA/cm2的電流密度下在LiPF6——碳酸酯類電解液中循環1000次而不發生短路。
上圖展示了石墨烯塗層金屬鋰負極的製備過程，首先將氧化石墨烯分散在四氫呋喃（THF）中，然後將金屬鋰放入到上述的分散液之中，我們能夠觀察到溶液的顏色逐漸從棕色轉變為黑色，表明溶液中的氧化石墨烯逐漸轉變了還原石墨烯，還原的石墨烯沉積在金屬Li的表面，形成一層保護層。通過控制金屬Li在氧化石墨烯分散液中的反應時間，能夠有效的控制金屬鋰負極表面的石墨烯層的厚度，從而獲得最佳的電化學性能。
為了驗證上述過程製備的金屬Li負極抑制Li枝晶生長的能力，Maohui Bai將兩片金屬Li負極製備成為扣式電池在不同的電流密度下進行循環測試（結果如下圖所示）。從圖中能夠看到沒有經過石墨烯塗層處理的金屬Li負極在循環過程中電壓波動很大，基本上不到100次都發生了明顯的內短路情況，而經過石墨烯塗層處理的金屬Li負極在循環過程中電壓非常穩定，循環壽命超過1000次沒有發生明顯的短路現象，這是目前為止報道的在LiPF6——碳酸酯類電解液中循環壽命最長的一款金屬Li負極。
從下圖d和e中我們對比在不同的電流密度下金屬Li負極的電壓平臺能夠發現，當電流密度從1mA/cm2提高到5mA/cm2，沒有石墨烯塗層的金屬Li負極電壓平臺從54.3mV大幅增大到了449.2mV，而採用石墨烯塗層保護的金屬Li負極僅僅從19.2mV增加到79.3mV，表明石墨烯塗層能夠顯著的降低金屬Li負極的極化。
石墨塗層提升金屬Li負極循環性能的原因能夠從EIS分析中得到，通過對比在1mA/cm2的電流密度下循環1，100，200和500次的EIS測試結果，我們能夠發現石墨烯塗層的金屬Li負極表面SEI膜阻抗Rf和電荷交換阻抗RCT要明顯低於沒有塗層的，並且循環過程中有石墨烯塗層保護的金屬Li負極的阻抗增加速度也要明顯慢於普通的金屬Li負極，表明石墨烯塗層能夠幫助金屬Li負極形成更加穩定的SEI膜，減緩循環過程中SEI膜的生長。
將循環後的金屬鋰負極取出，沒有石墨烯塗層保護的金屬Li負極的電極表面變的非常粗糙（下圖b），並且生長了很多的Li枝晶。而有石墨烯塗層保護的金屬Li負極表面則仍然非常光滑（下圖c），沒有觀察到明顯的金屬Li枝晶的生長。而從電極的側切面也能夠看到，普通的金屬Li負極在循環後電極表面層變的非常稀疏多孔，在循環後40次後厚度達到了54um，厚度變化達到170%。而具有石墨烯保護的金屬Li負極表面SEI膜的厚度循環40次後僅為13um，表現出了非常好的穩定性。
為了驗證上述電極的實用性，Maohui Bai還利用LiFePO4作為正極，以金屬Li或者石墨烯層保護金屬Li作為負極製作了全電池進行電化學測試，從下圖a我們能夠看到經過300次循環後採用塗層保護的金屬Li負極的電池容量幾乎沒有衰降，而採用普通的金屬Li負極的電池容量衰降到初始容量的69%，表明石墨烯塗層能夠顯著的改善金屬Li負極的循環性能。從下圖b的倍率測試結果能夠看到，有石墨烯塗層的金屬Li負極電池在大倍率下的放電容量要明顯高於普通金屬Li負極的電池，這表明石墨烯塗層對於提升電池的倍率性能還有明顯的幫助。
Maohui Bai開發的石墨烯塗層保護金屬Li負極很好的抑制了Li枝晶的生長，使得金屬Li負極能夠循環超過1000次而不發生短路，同時石墨烯塗層的存在還能夠改善金屬Li負極表面SEI膜的結構穩定性，提升了電池的庫倫效率，提高了長期循環中電池的容量保持率。最為重要的是這一工藝具有大規模應用的潛力，石墨烯沉積過程可以改用噴霧方法，從而大大提高生產效率，使得該技術極具實用價值。
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