鋰金屬負(fù)極以其極高的理論容量（3860 mAh g?1）和最負(fù)的電勢(shì)（?3.040 V vs. 標(biāo)準(zhǔn)氫電極）而被稱為“圣杯”電極。以金屬鋰為負(fù)極的鋰金屬電池，包括鋰硫電池、鋰空電池和固態(tài)鋰氧化物電池等，表現(xiàn)出了極高的理論能量密度，有望將手機(jī)的續(xù)航時(shí)間、電動(dòng)汽車的續(xù)航里程顯著延長(zhǎng)，助推我國(guó)汽車領(lǐng)域的彎道超車。

 

　　但是，目前的高安全二次金屬鋰電池的研究還處在原型驗(yàn)證階段。鋰負(fù)極的枝晶形成和生長(zhǎng)導(dǎo)致活性材料利用率下降，循環(huán)壽命縮短，顯著限制金屬鋰電池實(shí)用化。調(diào)控金屬鋰的形核行為是抑制金屬鋰負(fù)極的枝晶生長(zhǎng)的第一步，是調(diào)控金屬鋰沉積的起點(diǎn)和關(guān)鍵。在金屬鋰負(fù)極中引入骨架材料，尤其是碳材料，通過低局部電流密度沉積可以緩解金屬鋰負(fù)極的枝晶快速生長(zhǎng)，但是碳本身的“憎鋰性”使得碳骨架材料往往具有較大的金屬鋰形核過電勢(shì)，限制了其在金屬鋰負(fù)極中的應(yīng)用。

 

　　清華大學(xué)張強(qiáng)教授課題組采用原子級(jí)分散CoNx位點(diǎn)的雙摻雜石墨烯材料作為骨架材料，有效調(diào)控金屬鋰的形核行為，抑制金屬鋰的枝晶生長(zhǎng)。Co與N的協(xié)同作用，能夠調(diào)節(jié)石墨烯局域位置的電子結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰離子更強(qiáng)的吸附能力，降低金屬鋰的形核過電勢(shì)，從而促進(jìn)金屬鋰的均勻形核。通過掃描和透射電子顯微鏡的表征發(fā)現(xiàn)，金屬鋰在CoNx摻雜石墨烯材料上的形核更加均勻，沉積形貌更加平整，無枝晶的出現(xiàn)。均勻的沉積形貌，帶來了優(yōu)異的電化學(xué)循環(huán)性能。

 

　　當(dāng)電流密度分別為2.0、5.0、10.0 mA cm?2時(shí)（容量控制在2.0 mAh cm?2），金屬鋰在CoNx摻雜石墨烯材料中的利用率可達(dá)到99.2%（400圈）、99.2%（350圈）、98.2%（200圈）。應(yīng)用于磷酸鐵鋰的全電池時(shí)，CoNx摻雜石墨烯材料改性的金屬鋰負(fù)極依然可以獲得340圈（1.0 C）的循環(huán)壽命（普通鋰片：240圈）。該工作提出的Co/N雙摻雜策略能夠有效調(diào)控石墨烯的局域電子結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬鋰沉積行為的調(diào)控。通過對(duì)摻雜元素種類和含量進(jìn)行更多嘗試，并對(duì)其在全電池中的沉積行為進(jìn)行充分研究，將會(huì)對(duì)金屬鋰電極的實(shí)際應(yīng)用產(chǎn)生重要價(jià)值。