一種Au納米顆粒夾層石墨烯薄膜（Au-rGO）的“層間電鍍”技術
一種Au納米顆粒夾層石墨烯薄膜（Au-rGO）的“層間電鍍”技術
金屬鋰負極由于高的理論容量（3860mAh/g）和較低的氧化還原電位（-3.04 V，相對于標準氫電極）再次引起人們的廣泛關注，并被認為是大能量密度鋰離子電池研發中最有前景的負極材料之一。然而，在充放電循環中，鋰金屬的沉積和剝離通常是不均勻的，這會導致鋰枝晶的生長。此外，加之自然形成的固體電解質界面膜（SEI）的不穩定性，會進一步促進上述現象的發生。一方面，鋰枝晶會形成非活性的“死鋰”，降低電池庫倫效率；另一方面，鋰枝晶的持續增長會刺穿隔膜，造成電池內部短路，引發潛在的電池安全問題。
目前，為了解決鋰負極存在的這些問題，以前的研究方案是通過添加或改變電解液以強化SEI膜的機械性能或者在鋰和隔膜之間引入保護層作為人工SEI膜，或者是利用三維骨架降低電流密度，延遲枝晶生長。但是，不均勻的鋰成核仍會發生在SEI膜下和三維結構內部。
最近，南京大學現代工學院張會剛教授課題組與美國伊利諾伊大學香檳分校Paul Braun團隊合作研發了一種Au納米顆粒夾層石墨烯薄膜（Au-rGO）的“層間電鍍”技術，并將其運用于穩定鋰金屬負極電極，表現出優異的庫倫效率和對稱電池測試。最后，作者通過不同的表征手段證實了該項技術確實可以誘導鋰金屬的均勻沉積。該文章發表在國際著名期刊AdvancedFunctional Materials上（影響因子：13.325）。
【核心內容】
利用鋰金屬在Au基底上無需額外的成核能這一原理，將Au納米顆粒分散于層狀石墨烯薄膜中，誘導鋰離子穿過石墨烯層在Au顆粒上成核，并最終致使鋰金屬在石墨烯層間水平生長。
一種Au納米顆粒夾層石墨烯薄膜（Au-rGO）的“層間電鍍”技術
圖1.（a）銅箔上鋰沉積示意圖；（b-c）Au層誘導鋰選擇性沉積；（e）層間電鍍示意圖。
一種Au納米顆粒夾層石墨烯薄膜（Au-rGO）的“層間電鍍”技術
圖2.（ab）未處理石墨烯膜（rGO）SEM照片；（c）rGO上鋰離子遷移示意圖；（de）Au-rGO的SEM照片；（f）Au-rGO中的鋰離子遷移示意圖；（gh）Au-rGO的TEM照片；（i）氧化石墨烯（GO）、rGO、Au-rGO的XRD圖片。
作者首先通過對鍍鋰樣品的SEM和光學照片表征，發現鋰金屬在未處理的原始rGO膜上沉積的位置位于薄膜的表層和邊緣。而在Au-rGO電極中，鋰金屬可以均勻地沉積在石墨烯層間并撐開原本簿層的石墨烯膜。此外，作者將電鍍完鋰金屬的rGO和Au-rGO置于氧氣氣氛中，使得活潑的鋰金屬自發和氧反應形成氧化鋰，再通過元素Mapping，探測出鋰位于Au-rGO的層間和rGO在表層。在經過200次的鋰電鍍/剝離的測試后，依然保持較高的電化學性能。
一種Au納米顆粒夾層石墨烯薄膜（Au-rGO）的“層間電鍍”技術
圖3.（a）Au-rGO中沉積量為0.25mAh/cm^2的SEM照片；（b,c）Au-rGO中沉積量為2mAh/cm^2的SEM照片；（d）鋰從Au-rGO中剝離后的SEM；（e）二維銅箔上鋰沉積的SEM；（f）rGO鍍完鋰的SEM；（g-i）Li2O在Au-rGO中的SEM與Mapping；（j-l）Li2O在Au-rGO中的SEM與Mapping。
一種Au納米顆粒夾層石墨烯薄膜（Au-rGO）的“層間電鍍”技術
圖4.電化學數據：（a,b）不同電流密度和不同鋰含量的庫倫效率對比曲線；（c）不同樣品的鋰電鍍與剝離的曲線對比；（d,e）0.5mA/cm^2下對稱電池的充放循環測試曲線以及相對應的電壓滯后；（f）不同循環次數時的鋰沉積/剝離放大曲線；（g,h）不同循環次數后的阻抗圖。
通過對循環后拆解出的Au-rGO和rGO樣品SEM表征可以對“層間電鍍”技術在鋰金屬負極領域中的優勢，并推測出Au-rGO優異的電化學性能源于：（1）Au納米顆粒誘導鋰金屬在石墨烯層間沉積，避免了新鮮鋰和電解液的大面積接觸，致使少量SEI僅在石墨烯膜表層形成，降低了電極內部SEI的含量；（2）石墨烯層可充當人工SEI；（3）機械應力較強的碳層迫使鋰金屬由原來的垂直生長變為二維的平面生長，大大降低了鋰枝晶出現的概率。
文章第一作者為南京大學2015級博士生濮軍，南京大學現代工學院朱嘉教授和西北大學化工學院馬海霞老師為文章合作者，南京大學現代工學院張會剛和伊利諾伊大學香檳分校材料系PV Braun為文章通訊作者。本項研究得到了青年千人計劃、江蘇雙創人才、江蘇省杰出青年基金支持、國家自然科學基金委（21776121）和國家重點研發計劃（2017YFA0205700）的資助。本項目還得到了南通基礎研究基金的支持。
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