基于热扩散还原多层氧化石墨烯薄膜结构调控及在锂金属负极的应用

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锂金属负极因其高能量密度和低氧化还原电位,被称为新一代二次电池的最终负极。而锂金属存在枝晶及体积膨胀问题严重阻碍了其实际应用的步伐。为解决锂金属存在的问题,构建三维宿主优化电子/离子的电化学行为是有效的策略之一。本文采用点接触热扩散技术,制备了一系列三维结构的石墨烯薄膜(Pratically reduced graphene oxide film,Pr GO)。将Pr GO作为锂金属负极的三维宿主,对比研究了其结构对锂金属负极性能的影响,并深入探究了Pr GO对锂沉积/剥离行为及固态电解质(Solid electrolyte interphase,SEI)层变化的影响。(1)采用点接触热扩散还原方式,制备了具有良好亲锂性的多孔Pr GO。同时,通过调控还原温度,调控Pr GO含氧官能团数量、种类及其占比和电导率。结合石墨烯上各类含氧官能团与锂吸附作用的理论值,讨论Pr GO亲锂性、电导率及比表面积对锂金属复合负极的制备及其应用电化学性能的潜在关系,确定Pr GO-400为亲锂性与电导率综合最优宿主,以实现复合负极均匀的锂剥离/沉积。利用Pr GO良好的亲锂性和多孔结构的毛细管作用,使熔融锂液通过自扩散的方式制备锂-石墨烯复合负极(Pr GO@Li)。(2)以PrGO@Li作负极的对称电池,在5 mA cm-2和10 m A cm-2的电流密度下保持低过电位稳定循环,且Pr GO@Li-400具有最低过电势和最持久的循环性能,这归因于Pr GO-400为亲锂性和电导率综合最佳值。其进一步在20 m A cm-2高电流密度下,75 m V的低过电位2000次稳定循环,也证实了此观点。通过原位观察Pr GO@Li-400与Bare Li的锂剥离/沉积行为,发现Pr GO@Li-400呈现均匀剥离/沉积,而Bare Li则发生不均匀的剥离/沉积。其剥离/沉积表面形貌显示,Pr GO@Li-400表面始终平整,而Bare Li剥离时形成凹坑,后续沉积则形成大量枝晶。同时,Pr GO@Li-400表面SEI层表现出更稳定和更高离子电导率的成分结构。电极界面Li+浓度分布及电极形态演变的有限元仿真结果显示,Pr GO@Li-400电极表面呈现均匀的锂沉积,始终保持平整的形貌,表面呈现更高更均匀的Li+浓度分布。
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