锂金属电池的实际应用受到循环过程中不受控制的枝晶生长的限制。在此，提出了一种简单且可扩展的方法来使用激光划线技术稳定锂金属阳极，以集成设计和构建具有亲锂金属氧化物纳米颗粒的激光诱导石墨烯 （LIG）。 多孔 LIG 和亲石 MnOx 纳米颗粒有效降低 Li 的成核过电位并调节均匀的 Li 镀层，而阵列结构提供连续和超快的离子/电子传输通道，以高速率和高容量加速 Li+ 传输动力学。因此，Li@MnOx@LIG-a 阳极表现出高达 40 mA cm^-2 的优异倍率能力和低成核过电位。它还可以承受 20 mAh cm^-2 的超高锂容量，而不会出现枝晶生长，并在 40 mA cm^-2 下以 100% 放电深度稳定循环 3000 小时。更重要的是，这项技术可以扩展到其他金属氧化物，用于各种金属电池。
 

Fig 1. CO₂ 激光诱导技术对 MnOx 修饰石墨烯阵列的整合设计和合成路线。
 

Fig 2. (a） 描绘了激光技术形成 MnOx@LIG 复合材料的示意图。（b） LIG 和 MnO 的 XRD 图谱 x@LIG. （c） LIG 和 MnO 的拉曼光谱 x@LIG. （d） LIG 和 MnO 的 XPS 全光谱x@LIG. 高分辨率 （e） Mn 2p， （f） O 1s 和 （g） C 1s MnO x@LIG XPS 光谱。
 

Fig 3. （a） p-LIG 阵列、（b） LIG 阵列和 （c） MnOx@LIG 阵列的低放大倍率顶视图 SEM 图像。（d） 高倍率 SEM 图像和 （e， f） LIG 的 TEM 图像。（g） 高倍率 SEM 图像，（h） TEM 图像，（i） HRTEM 图像和 （j） MnO x@LIG 的 SAED 图像，以及 （k） C、O 和 Mn 元素的相应 EDX 映射。
 

Fig 4. （a） MnOx@LIG-a 和 Cu 箔电极在 1 mA cm^-2 时的成核过电位。（b） MnOx@LIG-a、LIG-a、p-LIG-a 和铜箔电极在 1 mA cm^-2-1 mAh cm^-2 下的库仑效率，以及 MnOx@LIG-a 电极在 0.5 mA cm^-2-0.5 mAh cm^-2 和 5 mA cm^-2-1 mAh cm^-2 下的库仑效率。（c） 使用铜箔和 MnOx@LIG-a 电极在 0.5-40 mA cm^-2 下测量对称电池的倍率性能，固定面积容量为 1 mAh cm^-2。使用 Cu 箔和 MnOx@LIG-a 电极在 （d） 10 mA cm^-2-10 mAh cm^-2 和 （e） 40 mA cm^-2-20 mAh cm^-2 下测量对称电池的循环性能。（f） 使用MnOx@LIG-a负极和各种LMAs在不同电流密度下的对称电池循环寿命的比较
 

Fig 5. （a） 5 mAh cm^-2 和 （b） 20 mAh cm^-2 的 Li 沉积后铜箔的 SEM 图像;（c） 第 50 个 Li 镀层和 （d） 第 50 个 Li 以 3 mA cm^-2-10 mAh cm^-2 剥离后的铜箔电极。（e） Cu 箔电极上镀锂行为的示意图。（f） 5 mAh cm^-2 和 （g） 20 mAh cm^-2 的 Li 沉积后 LIG-a 的 SEM 图像;（h） 第 50 个 Li 镀层和 （i） 第 50 个 Li 剥离后，在 3 mA cm^-2-10 mAh cm^-2 下剥离。（j） LIG-a 电极上镀锂行为的示意图。（k） 5 mAh cm^-2 和 （l） 20 mAh cm^-2 的 Li 沉积后 MnOx@LIG-a 的 SEM 图像;（m） 第 50 个 Li 镀层和 （n） 第 50 个 Li 剥离后，MnOx@LIG-a 电极在 3 mA cm^-2-10 mAh cm^-2 下剥离。（o） MnOx@LIG-a 电极上镀锂行为的示意图（嵌图是相应的光学图像）。
 

Fig 6. （a） Li@MnOx@LIG-a||LFP 完整电池。（b） Li@MnOx@LIG-a||LFP，Li@LIG-a||LFP 和 Li@Cu||0.1–5 C 下的 LFP 电池。（c） Li@MnOx@LIG-a||不同电流速率的 LFP 电池。（d） Li@MnOx@LIG-a||LFP 电池在 1 C 下进行不同循环。（e） Li@MnOx@LIG-a||LFP，Li@LIG-a||LFP 和 Li@Cu||LFP 电池在 1 C 下，以及（插图）由 1 Li@MnOx@LIG-a||LFP 纽扣电池，带有由 LIG 技术制备的学校徽章。
  
       相关研究工作由广东工业大学Shaoming Huang和Yijuan Li课题组——激光诱导石墨烯阵列与亲锂 MnOx 纳米颗粒的集成设计可实现卓越的锂金属电池于2024年联合在线发表在《eScience》期刊上，Integrative design of laser-induced graphene array with lithiophilic MnOx nanoparticles enables superior lithium metal batteries，原文链接: https://doi.org/10.1016/j.esci.2023.100134

转自《石墨烯研究》公众号