张强: 原子级分散的亲锂CoNx位点诱导金属锂形核

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锂金属负极以其极高的理论容量（3860 mAh g−1）和最负的电势（−3.040 V vs. 标准氢电极）而被称为“圣杯”电极。以金属锂为负极的锂金属电池，包括锂硫电池、锂空电池和固态锂氧化物电池等，表现出了极高的理论能量密度，有望将手机的续航时间、电动汽车的续航里程显著延长，助推我国汽车领域的弯道超车。但是，目前的高安全二次金属锂电池的研究还处在原型验证阶段。锂负极的枝晶形成和生长导致活性材料利用率下降，循环寿命缩短，显著限制金属锂电池实用化。调控金属锂的形核行为是抑制金属锂负极的枝晶生长的第一步，是调控金属锂沉积的起点和关键。在金属锂负极中引入骨架材料，尤其是碳材料，通过低局部电流密度沉积可以缓解金属锂负极的枝晶快速生长，但是碳本身的“憎锂性”使得碳骨架材料往往具有较大的金属锂形核过电势，限制了其在金属锂负极中的应用。

清华大学张强教授课题组采用原子级分散CoNx位点的双掺杂石墨烯材料作为骨架材料，有效调控金属锂的形核行为，抑制金属锂的枝晶生长。Co与N的协同作用，能够调节石墨烯局域位置的电子结构，实现对锂离子更强的吸附能力，降低金属锂的形核过电势，从而促进金属锂的均匀形核。通过扫描和透射电子显微镜的表征发现，金属锂在CoNx掺杂石墨烯材料上的形核更加均匀，沉积形貌更加平整，无枝晶的出现。均匀的沉积形貌，带来了优异的电化学循环性能。当电流密度分别为2.0、5.0、10.0 mA cm−2时（容量控制在2.0 mAh cm−2），金属锂在CoNx掺杂石墨烯材料中的利用率可达到99.2%（400圈）、99.2%（350圈）、98.2%（200圈）。应用于磷酸铁锂的全电池时，CoNx掺杂石墨烯材料改性的金属锂负极依然可以获得340圈（1.0 C）的循环寿命（普通锂片：240圈）。该工作提出的Co/N双掺杂策略能够有效调控石墨烯的局域电子结构，实现对金属锂沉积行为的调控。通过对掺杂元素种类和含量进行更多尝试，并对其在全电池中的沉积行为进行充分研究，将会对金属锂电极的实际应用产生重要价值。

相关研究论文发表在 Small Methods（DOI: 10.1002/smtd.201800354）上，题为“Uniform Lithium Nucleation Guided by Atomically Dispersed Lithiophilic CoNx Sites for Safe Lithium Metal Batteries”。本文的作者依次是清华大学刘鹤、陈翔、程新兵、李博权、张睿、王斌、陈晓和张强。

链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smtd.201800354