Nature Nanotechnology文獻解讀：具有納米孔隙的層狀還原氧化石墨烯物作為穩定的儲鋰負極材料

近期斯坦福大學的崔屹教授研究團隊提出了使用氧化后的石墨烯作為儲鋰的負極用作鋰離子電池，提供了一個穩定良好的金屬鋰的媒介，表現出較小的尺寸變化，從而展現良好的電化學和力學性能。

金屬鋰質量輕理論容量高達3,860 mAh g^-1是一種非常具有潛能的電極材料，但是由于充放電循環過程中鋰枝晶的生長，不穩定的反應界面以及極大的尺寸變化，嚴重阻礙了鋰金屬的實際應用.

在設計金屬鋰負極的時候，不光要預先考慮電極材料儲鋰的空間，更要能夠為其提供鋰源。研究人員發現熱力學吸附是一個主要的方法來有效的吸附熔化的鋰，而這需要儲存介質具有良好的“親鋰性”。而氧化石墨烯正是這樣一種獨特的材料，來制備出鋰-氧化石墨烯層狀復合負極材料。

文中的材料設計思路如下：

圖表1中的三個部分表述了本文中材料的設計過程，為氧化石墨烯到經過還原的氧化石墨烯片層，一直到最后所要制備的鋰-還原性氧化石墨烯復合層狀材料，照片中圓片的直徑約為47 mm

該材料有以下三個優點：

1.還原的氧化石墨烯能給充放電過程中鋰的剝離和沉積提供一個穩固的支撐，減緩體積的變化；

2.優異的親鋰性加上較大的表面積保證了合成和循環過程中，鋰的剝離和沉積；

3.表層頂部的氧化石墨烯為電化學和力學性能的穩定的界面，特別是在形成SEI膜的時候。

下面通過掃描電鏡觀察復合材料制備的三個流程，可以更加直觀的感受微觀組織狀態的變化，同時研究人員通過傅里葉紅外光譜和x射線光電子譜分析點燃前后物質中鍵官能團的變化，定性的證實了反應制備出了所設計的材料。

圖表2中a、b圖為通過真空抽濾得到的氧化石墨烯的高倍低倍掃描電鏡片，圖c、d為還原后的氧化石墨烯的掃描電鏡照片，圖e、f為鋰-還原氧化石墨烯復合材料的掃描電鏡照片

圖g是原始和反應后的傅里葉紅外光譜

圖h，i給出的原始的和經過反應后的氧化石墨烯的碳和氧元素的1S軌道的X射線衍射光電子譜。

XPS圖譜中可以看到一系列譜線分別對應不同的電子軌道，該文中的兩個圖譜分別是C、O兩種元素的1s軌道的譜線。圖中的C-O-H（兩圖中紅色曲線）峰的強度在經過反應過后下降到原始狀態的初始值的約50%，然而樣品表面的其他官能團的峰值減小不明顯，表明了—OH基團被有選擇性的去除。

圖j、k為層狀的鋰-還原的氧化石墨烯復合材料的條狀物，分別纏繞在玻璃棒上和通過兩個鑷子扭轉，來表現其良好的柔韌性。而這揭示出了其在現實生活中的可應用性。

為了進一步驗證所設計的材料是否能夠達到設想的目的，研究團隊對該材料進行了對比性實驗，觀察其原始狀態，一次剝鋰，和剝離嵌入循環后的形貌狀態和實時的動態變化，進一步的驗證了實驗構想。

圖表三中a,b,c,圖分別為原始的，鋰被剝離過后的和經過一次鋰的剝離和植入循環的金屬鋰和還原氧化石墨烯的為三張橫斷面掃描圖，從圖中可以對比的發現b圖中的鋰經剝離后，細微樹枝狀的鋰會再次出現，c圖中的經過一次循環之后沒有明顯的樹枝狀的鋰出現。

圖d、e為經過10次恒電流循環后的生苔狀的枝干的鋰的沉積。

圖f、g為經過10次循環以后的層狀復合材料的表面，仍然保持光滑沒有樹枝狀產生，進一步的驗證了這種獨特的形貌在不同電流密度情況下是否有變化。

選取3 mA cm^-2 形貌如圖h和i所示。

圖k為原位投射電鏡下從側面觀察還原氧化石墨烯的金屬鋰的沉積的過程，分別為0s，150s和300s的幾張照片。圖j是投射電鏡原位電池圖解紅色為銅靶，另一端為鎢靶。

圖I為從頂面觀察還原的氧化石墨烯的鋰的沉積

為了進一步的確認鋰的沉積，圖m給出了沉積前后的電子能量損失譜，橫坐標為能量損失（ev），縱坐標為強度，圖中紅色曲線的標明的峰值表明了鋰的沉積。

經過了先前的微觀結構形貌和定性分析分析所合成的材料，作者將制備的材料與LiCoO2組成電池，對其進行電化學性能測試，觀察其性能能否滿足設計目的。

圖a和b分別為電流密度為1 mA cm^-2和3 mA cm^-2下鋰箔片和層狀的鋰氧化石墨烯復合材料的恒流測試。

圖c為10次循環以后的尼奎斯特阻抗圖譜，圖d表明鋰還原石墨烯復合材料中鋰完全剝離可以是釋放約3390 mAh^-1的容量。

圖表5為電化學性能的圖譜

展現了LiCoO2分別和鋰箔片、層狀還原氧化石墨烯復合材料組成全電池在0.2C到10C下的比容量圖，

對比鋰金屬和層狀復合材料分別組成的全電池可以看出，在不同倍率的充放電曲線中兩者都會出現凹凸狀的過電壓曲線平臺，且鋰金屬的全電池初始過電壓都高于后者。等一系列電化學測試表明層狀復合材料表現出層狀材料的高的倍率容量和低的滯后效應，

a圖為LiCoO2分別和鋰箔片、層狀還原氧化石墨烯復合材料組成電池在0.2C到10C下的比容量圖

圖表5中的b、c、d圖分別表示以1C、2C、4C經行充放電鋰箔片和層狀復合材料的初試充電平臺的電壓差別，隨著倍率的增大，電壓差值也逐漸增大。

該團隊的研究者們認為，通過經過燃燒的氧化石墨烯與熔化的鋰反應形成的這種獨特的層狀結構，展現出了優異的柔韌性和在形成SEI膜時約20%的電極尺寸變化.這為制造高能的鋰電池提供了一個可行的選擇。

該成果發表在 nature nanotechnology上, 點我下載。

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