近日，我校物质学院刘巍课题组在高性能锂金属负极材料领域取得重要进展：通过规整结构的石墨烯组装阵列（graphene arrays）构建具有层次结构的锂金属载体。首次实现了具有较高防水安全性的锂金属负极，并且保持了良好的倍率性能和循环稳定性。该研究成果以“Water‐Stable Lithium Metal Anodes with Ultrahigh‐Rate Capability Enabled by a Hydrophobic Graphene Architecture”为题，发表于国际知名学术期刊Advanced Materials。
锂离子电池作为能源存储器件在便携式电子产品上得到广泛应用，但是现阶段动力电池的能量密度难以满足电动汽车、智能电网等大规模储能的要求。金属锂具有极高的理论比容量（3860 mAh g-1）和极低的电化学势（-3.040 V），在应用于锂电池负极时会极大提高电池的能量密度，因此被人们视为负极研究的“圣杯”。然而，由于天然金属锂具有极高的反应活性，在制备和使用时很容易引发安全事故，目前并没有理想的手段在不影响金属锂活性前提下抑制其与外界环境，尤其是与水和空气的反应。另外，当使用金属锂作为电池负极时，在锂离子沉积和脱出过程中极易造成金属锂表面产生树枝状的锂枝晶，进而可能刺穿电池隔膜引发正负极短路，造成电池失效甚至爆炸。
刘巍课题组提出利用垂直结构的石墨烯组装阵列构建具有层次结构的石墨烯载体的策略，将金属锂负载在由石墨烯组装而成的二维垂直孔道中，并在金属锂表面构建一层由石墨烯阵列形成的致密防护层。当电池充放电时，锂离子可以在二维垂直通道中快速扩散，从而提高电池倍率性能。同时，这些二维限域空间很大程度上促进锂离子在金属锂表面均匀沉积，抑制了锂枝晶的产生。另外，由石墨烯阵列构成的致密防护层与通常的石墨烯膜不同，其具有大量自上而下的锂离子传输通道，保证了电化学反应高效进行。更为重要的是，这层致密的石墨烯防护层具有天然的疏水和阻隔空气能力，从而赋予金属锂负极很好的安全性。
上科大为该成果唯一完成单位，助理研究员董雷为第一作者，刘巍教授为通讯作者。2017级博士生聂璐参与了扫描电镜的表征工作。该项工作受到了国家重点研发计划和国家自然科学基金的支持，同时感谢上科大物质学院分析测试中心和电镜中心的支持。
文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201908494
图注: 具有层次结构的石墨烯锂金属负极。 垂直结构的石墨烯阵列可以有效的负载锂金属，上层致密的石墨烯层在保持良好水气隔绝的情况下具有多重离子传输通道。