AEM封面文章 | 石墨烯缺陷如何影響鋰金屬電池性能?

2021-02-15 Wiley威立

鋰(Li)金屬電池(LMBs)是鋰離子電池(LIBS)的理想替代品，因為鋰金屬負極-電極的「聖杯」-具有更高的能量密度。如果LMB能夠實現大規模商業化，那麼將在需要更長運行時間的能源密集型應用領域，如電動汽車和無人機，大展身手。

然而，在傳統的碳酸鹽電解質中，由於電解質與陽極接觸時發生不可逆還原和化學分解，金屬鋰上形成固體電解質膜（SEI），使得其前景受到了影響。

SEI層與Li枝晶的生長有關，使得其使用周期變短同時也會帶來安全問題。為了解決這一關鍵問題，目前普遍採用的解決方法，包括使用電解質添加劑和碳基載體(如石墨烯、氧化石墨烯和氮摻雜石墨烯)來穩定鋰金屬陽極。

對於包覆碳的結構和化學性質是如何影響鋰枝晶生長和電池性能的，目前還沒有清晰的認識。最近，Clarkson University （美國）和四川大學（中國）的一組研究人員通過解釋石墨烯缺陷如何在鋰枝晶的形成中發揮重要作用，在電池研究方面取得了重大進展。

他們比較了超純、「無缺陷」石墨烯(這種石墨烯是用一種「流動輔助超聲」溼法製備的)，與高度缺陷的Hummers石墨烯(r-GO)上固有的SEI的形成過程進行比較。

在沒有電解質的情況下，r-GO的第一次循環不可逆容量損失達到1863mAh g-1，而無缺陷石墨烯為148mAh g-1。當加入氟代碳酸亞乙酯（FEC）時，使用無缺陷石墨烯的表面形態相對光滑，無枝晶，擁有更好的電化學性能。相反，r-GO促進FEC電解質的快速消耗，導致廣泛的枝晶形成。

這些觀察結果揭示了一個重要的新發現：在金屬電鍍之前發生的SEI形成實際上決定了枝晶的形成。也就是說，一旦包覆碳在初始充電時形成SEI，就已經決定了金屬鋰電極的命運。

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