Advanced Materials:超保形和可拉伸石墨烯薄膜实现锂金属电池中Li颗粒的可逆沉积

具有最低的电化学势和最高的理论比容量,锂金属是高能锂离子电池负极的最佳选择。然而Li在与电解质接触时发生副反应,在界面形成的SEI钝化层不可变形且易碎,导致裂纹的持续出现以及不均匀的Li沉积和枝晶的生长,最终引发火灾事故甚至爆炸。此外枝晶的反复沉积/溶解过程消耗电解质和Li金属,导致电池库伦效率(CE)低、循环寿命短、过电位高和电极体积变化。因此,锂负极的保护,是锂金属电池商业化的一项重要课题。研究发现,平面的界面形貌变化可避免Li枝晶和粉碎的问题,并需要满足一下条件:1)Li金属负极表面光滑,电荷分布均匀;2)SEI具有均匀的形态和化学成分;3)需要重新分布电解质中原来不均匀的Li离子通量。构建可拉伸SEI可以通过适应并抑制界面的非平面形貌变化不产生裂纹,避免Li枝晶和粉碎的问题,但是利用常规方法难以使薄膜与Li金属表面形成超保形接触,且机械性能受到波浪结构限制。因此,构建实用的可拉伸超保形的SEI仍面临挑战。

美国德克萨斯大学奥斯汀分校余桂华教授团队针对这一问题利用机械剪切力,将Li表面的石墨剥离为石墨烯,同时将其平行排列于Li金属块体中,在电化学抽锂后,少层石墨烯纳米片于锂金属表面原为堆叠为超共形保护层,具有形状自适应的特点以及良好的机械性能,导致界面的平面形貌变化,并有效抑制电解质与Li金属的副反应。相关结果发表在Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.202005763)上。

该研究团队提出一种简单有效的方法,将石墨在Li金属表面原位构建由少层无缺陷石墨烯纳米片堆叠而成的超共形柔性保护薄膜。该二维保护膜可以随着微米级的Li金属颗粒的沉积/溶解发生共形膨胀/收缩,长期阻止了电解液和Li金属的直接接触,紧密包裹下方Li负极。由于二维材料的层间滑动,该薄膜的优良拉伸性使其可以适应Li金属的体积变化而不产生裂纹。此外,无缺陷的少层石墨烯有助于Li离子的快速转移,促进界面处Li离子通量的重新均匀分布。具有这种保护膜的Li金属负极在对称性电池中可在5 mA cm-2下稳定工作1000 h,超过了石墨烯薄膜稳定的Li金属负极寿命从而为锂金属电池的商业化提供了高效实用的策略,同时对解决其他金属和金属合金负极材料的稳定性问题提供了新思路。