实用的锂金属电池的最大挑战是如何充分、可逆地利用锂负极。带有大量锂成核位点的预制三维（3D）多孔骨架能够引导锂沉积在3D骨架的空腔中，从而抑制枝晶生长和尺寸变化。本文中，我们设计了一种用于3D石墨烯和内部Mg_xLi_y种子的锂金属负极纳米胶囊结构。3D复合负极不仅可以通过简单且可扩展的方法制备，还可以满足实际电池中高能量密度和长循环寿命的要求。在通过透射电子显微镜观察锂沉积的过程中，发现锂金属主要沉积在3D石墨烯内的Mg_xLi_y晶种周围。此后，当复合负极与线圈电池中的商用LiFePO₄正极以及袋装电池中的NCM811（LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂）正极很好地配对时，它们能够提供超过350 Wh·kg^-1的能量密度且高能量保持（> 85％）下的长循环寿命（> 150个循环）。当前工作中的3D锂金属/石墨烯复合负极为高能量密度锂金属电池的制造提供了有希望的新途径。
 
Figure 1. 3D Mg_xLi_y/LiF-Li-rGO负极：a）Mg_xLi_y/LiF-Li-rGO负极的合成过程和Li沉积/剥离的图形说明。b）MgF₂-rGO支架和c）3D Mg_xLi_y/LiF-Li-rGO负极的横截面SEM图像。d）3D Mg_xLi_y/LiF-Li-rGO负极的TEM图像和EDX映射。

 
Figure 2. 锂沉积/剥离后电极的形貌
 

Figure 3. 以原位TEM表征的锂电镀和剥离行为
 

Figure 4. 对称电池的循环性能
 

Figure 5. 电化学性能。a）MgF₂-rGO、rGO和Cu箔在电流密度为0.5 mA cm^-2且容量限制为1 mAh cm^-2时的库伦效率。b）对应的电压曲线。5b插图：电压曲线的成核部分。不同对称电池的界面电阻c）循环前和d）100循环后。
 

 Figure 6. 电化学性能。a）倍率性能；b）电压曲线；c）与Li⁺/Li相比，从Mg_xLi_y/LiF-Li-rGO电极剥离Li至1V的电压曲线；d）循环性能；e）由NCM811和改性负极组装而成的电池，在充电/放电速率为0.2 C/0.4 C，工作电压窗口为2.75 V–4.25 V时的电压曲线，前两个循环是充电/放电速率为0.1 C/0.1 C；f）基于改进的Mg_xLi_y/LiF-Li-rGO负极和NCM811正极的袋装电池的循环性能；图6f的插图是袋式电池的构造。
 
     相关研究成果于2020年由华南理工大学Yongcai Qiu课题组和浙江大学Yingying Lu课题组，发表在Energy Storage Materials（doi.org/10.1016/j.ensm.2019.12.028）上。原文：High energy density lithium metal batteries enabled by a porous graphene/MgF₂ Framework。

摘自《石墨烯杂志》公众号：