隨著人類社會對能源需求越來越緊迫，高密度能量存儲設備已經成為制約便攜電子設備電量、動力汽車續航、智能電網儲能等關鍵問題的瓶頸之一。而被寄予厚望的鋰離子電池是否能最終滿足這一需求呢？今日，
上海科技大學的劉巍（點擊查看介紹）團隊通過石墨烯穩定鋰金屬，使原本活性很高的鋰金屬負極電池同時具有良好的安全性和很高的電化學性能。金屬鋰具有極高的理論比容量（3860 mAh g-1）和極低的電化學勢（-3.040 V），在應用於鋰電池負極時會極大提高電池的能量密度，因此被人們視為負極研究的“聖盃”。然而，由於天然金屬鋰具有極高的反應活性，在製備和使用時很容易引發安全事故，目前並沒有理想的手段在不影響金屬鋰活性前提下抑制其與外界環境，尤其是與水和空氣的反應。另外，當使用金屬鋰作為電池負極時，在鋰離子沉積和脫出過程中極易造成金屬鋰表面產生樹枝狀的鋰枝晶，進而可能刺穿電池隔膜引發正負極短路，造成電池失效甚至爆炸。
上海科技大學物質學院劉巍課題組針對這一問題，提出了利用垂直結構的石墨烯組裝陣列（graphene arrays）構建具有層次結構的金屬鋰載體的策略。該工作結合了第一作者董雷在石墨烯組裝上的研究基礎，將金屬鋰負載在由垂直石墨烯陣列形成的二維孔道中，並在金屬鋰表面構建一層由石墨烯陣列形成的緻密防護層。當電池充放電時，鋰離子可以在二維垂直通道中快速擴散，從而提高電池倍率性能。同時，這些二維限域空間很大程度上促進鋰離子在金屬鋰表面均勻沉積，抑制了鋰枝晶的產生。另外，由石墨烯陣列構成的緻密防護層與通常的石墨烯膜不同，其具有大量自上而下的鋰離子傳輸通道，保證了電化學反應高效進行。更為重要的是，這層緻密的石墨烯防護層具有天然的疏水和阻隔空氣能力，從而賦予金屬鋰負極很好的安全性。
該研究克服了傳統意義上金屬鋰極易與空氣和反應的缺點，並且保持了金屬鋰自身的電化學活性。該方法對於金屬鋰負極的實用化有很好的指導意義。尤其當電池遭遇撞擊損壞或發生水汽侵入時，這樣的金屬鋰保護策略可以有效地抑制燃燒、爆炸等災害事故的發生。另外對於正處在研究前沿的鋰金屬-空氣電池，其負極很難避免與外界環境直接接觸，這樣的保護策略也可以有效地防止其鋰金屬負極過早失效。
這一成果近期發表在Advanced Materials 上。文章的第一作者是上海科技大學助理研究員董雷。
Water-Stable Lithium Metal Anodes with Ultrahigh-Rate Capability Enabled by a Hydrophobic Graphene Architecture
Lei Dong, Lu Nie, Wei Liu
Adv. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adma.201908494
劉巍博士簡介
劉巍，上海科技大學物質科學與技術學院助理教授、研究員、博士生導師。2008年獲北京師範大學材料物理理學學士學位，2013年獲清華大學材料學院材料科學與工程工學博士學位，博士期間在日本東京大學交流訪學，2013-2017年在美國斯坦福大學從事博士後研究，2017年3月起就職於上海科技大學。研究工作涉及固態離子材料、陶瓷複合材料和納米材料，應用於下一代高能量、高功率和高安全鋰電池、固體氧化物燃料電池以及柔性電子器件等領域。至今共發表學術論文60餘篇，其中通訊/一作論文包括Nature Energy、Nature Commun、Sci Adv、Chem、Adv Mater、JACS、Nano Lett等30篇，9篇入選ESI高被引論文，2篇入選熱點論文。論文總被引次數為4300餘次，h因子30。受邀擔任Nature Commun、Joule和Nano Lett等國際期刊審稿人。主持國家自然科學基金青年基金。
https://www.x-mol.com/university/faculty/98942
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