可充電鋰(Li)金屬電池極有可能革新當(dāng)前的儲能技術(shù)。然而，鋰枝晶的不可控生長阻礙了鋰負(fù)極在高能安全電池中的應(yīng)用。關(guān)于鋰負(fù)極的研究很多，但對鋰金屬的電晶化特性及其機理的研究卻很少。在此，在自組裝還原氧化石墨烯(rGO)上實現(xiàn)了平面Li層的引導(dǎo)生長，而不是形成隨機的Li枝晶。采用原位光學(xué)觀測的方法對該平面Li層的形態(tài)演變進(jìn)行了監(jiān)測。并通過分子動力學(xué)模擬揭示了電沉積/剝離過程中的潛在機理。結(jié)合實驗和仿真結(jié)果表明，當(dāng)Li原子沉積在rGO上時，由于Li與rGO襯底具有良好的平面晶格匹配，使得Li原子的每一層都沿著Li晶體的(110)晶面生長，從而形成了平面Li沉積。由于這種特殊的形貌特征，具有高度柔性的鋰硫(Li-S)全電池，以rGO引導(dǎo)的平面Li層作為負(fù)極，表現(xiàn)出穩(wěn)定的循環(huán)性能及高的比能量和功率密度。本工作豐富了對無枝晶Li電晶化的基礎(chǔ)認(rèn)識，并為實際應(yīng)用提供了指導(dǎo)。
Figure 1. Li沉積在rGO襯底上。a) Li在rGO襯底上的生長過程示意圖。b,d,f）rGO襯底，rGO襯底上1 mAh cm
-2的Li沉積物和rGO基板上5 mAh cm
-2的Li沉積物的俯視SEM圖。c,e,g）rGO襯底，rGO襯底上的1 mAh cm
-2的Li沉積物和rGO襯底上的5 mAh cm
-2的Li沉積物的SEM截面圖。h)標(biāo)準(zhǔn)Li，Cu箔上Li和rGO襯底上Li的XRD圖譜。i) (110)平面的標(biāo)準(zhǔn)投影圖。j)在rGO襯底上獲得的Li的取向表征。
Figure 2. 原位光學(xué)觀察鋰電沉積在rGO襯底和裸露的銅箔上。a,b)沉積在rGO襯底和容量為6 mAh cm
-2的裸銅箔上鋰的光學(xué)顯微鏡圖像。c)實驗裝置的示意圖。d,e)在不使用隔膜的情況下，在裸銅箔和自組裝rGO薄膜上進(jìn)行Li沉積的原位光學(xué)觀察。
Figure 3. 幾何優(yōu)化后，rGO上的Li原子分布。a) rGO(灰色球)和Li(紫色球)的優(yōu)化原子配置的平面圖和側(cè)視圖。c) rGO和Li的示意圖。d) rGO上Li生長過程中原子構(gòu)型優(yōu)化示意圖。
Figure 4. 基于rGO襯底和銅箔的負(fù)極電化學(xué)性能。a)在電流密度為1.0和2.0 mA cm
-2時不同負(fù)極的CE。b)在1.0和2.0 mA cm
-2的不同電流密度下，rGO襯底和裸露Cu箔的電鍍/剝離極化。c)對稱電池中鋰沉積/剝離的電壓-時間曲線。d,e)在1mA cm
-2的電流密度下循環(huán)100次后，沉積在rGO襯底和Cu箔上Li的頂視SEM圖。
Figure 5. 3D rGO泡沫@ S正極與rGO@Li負(fù)極組裝的Li–S全電池的電化學(xué)性能。a) 3D rGO泡沫@S正極和rGO @ Li負(fù)極的制備以及Li–S全電池的組裝示意圖。b) Li-S全電池通過各種折疊和展開過程點亮LED。c) Li-S全電池的循環(huán)穩(wěn)定性。d)計算的Ragone圖（能量密度與功率密度）與相關(guān)文獻(xiàn)的比較。
相關(guān)研究成果于2019年西北工業(yè)大學(xué)Keyu Xie課題組，發(fā)表在Adv. Mater.( DOI: 10.1002/adma.201907079)上。原文：Reduced-Graphene-Oxide-Guided Directional Growth of Planar Lithium Layers
