中國儲能網(wǎng)訊：近日西北工業(yè)大學(xué)的MaohuiBai（第一作者）和Keyu Xie（通訊作者）通過采用金屬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(wěn)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(huán)1000次而不發(fā)生短路。
上圖展示了石墨烯涂層金屬鋰負(fù)極的制備過程，首先將氧化石墨烯分散在四氫呋喃（THF）中，然后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(zhuǎn)變?yōu)楹谏砻魅芤褐械难趸┲饾u轉(zhuǎn)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(hù)層。通過控制金屬Li在氧化石墨烯分散液中的反應(yīng)時間，能夠有效的控制金屬鋰負(fù)極表面的石墨烯層的厚度，從而獲得最佳的電化學(xué)性能。
從下圖d和e中我們對比在不同的電流密度下金屬Li負(fù)極的電壓平臺能夠發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電流密度從1mA/cm2提高到5mA/cm2，沒有石墨烯涂層的金屬Li負(fù)極電壓平臺從54.3mV大幅增大到了449.2mV，而采用石墨烯涂層保護(hù)的金屬Li負(fù)極僅僅從19.2mV增加到79.3mV，表明石墨烯涂層能夠顯著的降低金屬Li負(fù)極的極化。
石墨涂層提升金屬Li負(fù)極循環(huán)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(huán)1，100，200和500次的EIS測試結(jié)果，我們能夠發(fā)現(xiàn)石墨烯涂層的金屬Li負(fù)極表面SEI膜阻抗Rf和電荷交換阻抗RCT要明顯低于沒有涂層的，并且循環(huán)過程中有石墨烯涂層保護(hù)的金屬Li負(fù)極的阻抗增加速度也要明顯慢于普通的金屬Li負(fù)極，表明石墨烯涂層能夠幫助金屬Li負(fù)極形成更加穩(wěn)定的SEI膜，減緩循環(huán)過程中SEI膜的生長。
將循環(huán)后的金屬鋰負(fù)極取出，沒有石墨烯涂層保護(hù)的金屬Li負(fù)極的電極表面變的非常粗糙（下圖b），并且生長了很多的Li枝晶。而有石墨烯涂層保護(hù)的金屬Li負(fù)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(cè)切面也能夠看到，普通的金屬Li負(fù)極在循環(huán)后電極表面層變的非常稀疏多孔，在循環(huán)后40次后厚度達(dá)到了54um，厚度變化達(dá)到170%。而具有石墨烯保護(hù)的金屬Li負(fù)極表面SEI膜的厚度循環(huán)40次后僅為13um，表現(xiàn)出了非常好的穩(wěn)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(hù)金屬Li作為負(fù)極制作了全電池進(jìn)行電化學(xué)測試，從下圖a我們能夠看到經(jīng)過300次循環(huán)后采用涂層保護(hù)的金屬Li負(fù)極的電池容量幾乎沒有衰降，而采用普通的金屬Li負(fù)極的電池容量衰降到初始容量的69%，表明石墨烯涂層能夠顯著的改善金屬Li負(fù)極的循環(huán)性能。從下圖b的倍率測試結(jié)果能夠看到，有石墨烯涂層的金屬Li負(fù)極電池在大倍率下的放電容量要明顯高于普通金屬Li負(fù)極的電池，這表明石墨烯涂層對于提升電池的倍率性能還有明顯的幫助。
Maohui Bai開發(fā)的石墨烯涂層保護(hù)金屬Li負(fù)極很好的抑制了Li枝晶的生長，使得金屬Li負(fù)極能夠循環(huán)超過1000次而不發(fā)生短路，同時石墨烯涂層的存在還能夠改善金屬Li負(fù)極表面SEI膜的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，提升了電池的庫倫效率，提高了長期循環(huán)中電池的容量保持率。最為重要的是這一工藝具有大規(guī)模應(yīng)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(chǎn)效率，使得該技術(shù)極具實用價值。
