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【導言】

金屬鋰因為極高的容量（理論比容量為3860 mA h g-1）和低電勢（?3.040 V vs. 規范氫電極），被認為是最理想的充電機充電蓄電池負極資料。可是，與經過構成鋰基化合物來完成能量貯存的石墨或許硅負極不同，金屬鋰負極是經過在電極/電解液界面處的鋰的堆積/剝離來貯存能量，這導致金屬鋰在電化學反響中會發作簡直無限的體積改變、不穩定的固體電解液界面膜（SEI）和構成金屬鋰枝晶。這些問題最終會導致充電機充電蓄電池短路、低的庫倫功率和低的金屬鋰利用率。最近納米結構化的集流體被用來包容金屬鋰以按捺鋰枝晶的成長，進步金屬鋰負極的循環穩定性。可是，這一戰略在以下幾個方面仍有待進步，以滿意有用需求：（i）納米結構化導致副反響增加，使得庫侖功率低于嵌入式負極資料；（ii）長循環測驗中金屬鋰的利用率（< 50％）有待進步；（iii）電極可利用的面容量（< 5 mA h cm-2）有待進步，以滿意鋰-硫、鋰-空等高能量密度充電機充電蓄電池的需求（>10 mA h cm-2）。怎么進一步優化集流體微觀結構，取得滿意使用需求的高功能金屬鋰負極復合資料是金屬鋰電極研討的重要方向之一。

【效果簡介】

近來，來自中國科學技術大學的季恒星教授課題組提出三維共價銜接的sp2雜化石墨微米管作為金屬鋰負極的集流體，以完成按捺鋰枝晶的一起，約束副反響的發作，到達金屬鋰的高效利用。這種結構的長處在于（i）sp2雜化碳原子構成的骨架結構具有極強的導電才能；（ii）在原子尺度上共價銜接的結構單元構成微觀尺度下的三維塊材，極大的消除了微納結構單元間的界面電阻；（iii）微米級骨架結構具有優化的比表面積，一起約束鋰枝晶和SEI的構成。相關研討效果以“High Areal Capacity and Lithium Utilization in Anode Made of Covalently-Connected Graphite-Microtubes”為題宣布Advanced Materials上。

【圖文導讀】

圖1 三維共價銜接的sp2雜化石墨微米管的結構表征

（a）石墨微米管的光學相片

（b，c）石墨微米管SEM圖

（d）石墨微米管的中空截面SEM圖

（e）石墨微米管的熱重

（f）石墨微米管電導率丈量。

（g，h）石墨微米管的TEM和高分辯TEM

2石墨微米管、銅箔和鋰箔為集流體時電化學性質比照

（a）石墨微米管在電流密度5 mA cm-2，面容量10 mA h cm-2下不同循環圈數的充放電曲線

（b）石墨微米管和銅箔為集流體時庫倫功率循環圖

（c）銅箔集流體在電流密度1 mA cm-2，面容量2 mA h cm-2下不同循環圈數的充放電曲線

（d）石墨微米管、鋰箔和銅箔為集流體時對稱充電機充電蓄電池循環圖。

3三維共價銜接的sp2雜化石墨微米管的電化學性質

（a）石墨微米管在電流密度1 mA cm-2，面容量10 mA h cm-2時對稱充電機充電蓄電池循環穩定性圖

（b）石墨微米管的倍率功能圖

（c）鋰負極循環容量和循環電流密度的功能比照圖

4三維共價銜接的sp2雜化石墨微米管循環過程中結構改變

（a）石墨微米管在循環過程中的結構改變SEM圖

（b，c）石墨微米管、鋰箔和銅箔為集流體時循環前后的EIS圖。

5石墨微米管與磷酸鐵鋰匹配組滿足充電機充電蓄電池時的電化學功能

（a）石墨微米管和鋰箔為集流體時全充電機充電蓄電池的循環圖。

（b）石墨微米管、鋰箔為集流體時全充電機充電蓄電池的充放電曲線圖。

【小結】

本文經過優化金屬鋰負極集流體的微觀結構，采用三維共價銜接的sp2雜化石墨微米管作為集流體，在按捺鋰枝晶的一起，約束副反響的發作，取得了高功能的金屬鋰負極。金屬鋰負極可以在循環面容量10 mA h cm-2，金屬鋰利用率91%的條件下，循環3000小時而沒有發作短路。即便在電流密度10 mA cm-2下，金屬鋰負極仍可完成10 mA h cm-2的面容量。這種三維共價銜接的sp2雜化石墨微米管集流體的規劃思路對其他類型的充電機充電蓄電池相同具有學習意義。