复旦彭慧胜、王兵杰《Angew》：石墨烯量子点助力锂金属60 mA/cm2下稳定循环！

锂金属负极具有高比容量和低电势，当与高容量正极（如氧、硫、和金属氟化物）匹配时，可实现高能量密度。为实现这些先进电池的高功率输出和快速充电，需要超过30 mA cm-2的高电流密度（例如，美国能源部的目标是在超过3 C的倍率下，500 Wh kg-1电池在20分钟内充满电）。然而，由于在如此高的电流密度下Li+的加速电化学还原，负极表面的Li+耗尽和热点周围的Li+聚集不可避免，锂沉积不均匀，使得枝晶和死锂易于生长。这些不利因素反过来又会导致库仑效率（CE）不稳定，加剧锂基全电池在实际条件下的容量衰减。此外，由于Li+耗尽效应，电解质-负极界面在高电流密度下更容易受到不均匀Li+浓度的影响。因此，对于实际的锂金属负极，有效调节电解质-负极界面处的Li+浓度具有重要意义。

鉴于此，复旦大学彭慧胜教授、王兵杰副研究员合成了一种电负性石墨烯量子点并将其组装成超薄层覆盖在锂金属表面，称为超薄锂离子吸附层（LAL），该层能够在纳米尺度上有效吸附Li+到锂金属上，以缓解Li+的消耗。获得的 LAL/Li 负极创纪录地实现了 60 mA cm-2 和 60 mAh cm-2条件下1000 小时的稳定循环，远远超过现有的锂负极。相关成果以题为“Lithium metal anodes working at 60 mA cm-2 and 60 mAh cm-2 through nanoscale lithium-ion adsorbing”发表在Angew. Chem. Int. Ed.上。

文章亮点

1. LAL中电负性量子点的强Li+亲和性使得Li+通量在电解质-阳极界面内受到精确的空间限制，并在纳米尺度上增加了局部Li+浓度，从而缓解了高电流密度下Li+的消耗。同时，Li+可以穿透LAL，促进连续的Li+吸附效应和无枝晶Li沉积。

2. 在高电流密度（60 mA cm-2）和面积容量（60 mAh cm-2）下，实现了1000小时以上的长期可逆锂沉积/剥离，远远超过了现有的锂负极。与裸锂负极相比，采用LAL修饰的复合锂负极可以使锂空气电池具有更高的倍率容量和循环性能。

3. 超薄的LAL一方面可以减轻锂负极表面Li+的损耗，另一方面也不会增加复合负极的重量和体积。

图1 原理及表征

图2 对称电池性能

图3 锂空电池性能