程春&牛树章AEnM：有机低共熔混合物结合氧化石墨烯片作为亲锂人工保护层助力无枝晶锂金属电池

01【导读】

低共熔溶剂是一种新型的液体电解液，可以形成低至室温的液态有机低共熔混合物(OEMs)，由于其在电化学储能方面的独特应用而受到越来越多的关注。当用作非水体系中的溶剂时，OEMs可以拓宽金属基负极（例如锌和锂金属负极）的开路电压，具有较低的沉积/剥离电位。此外，由于其高离子电导率和高热及化学稳定性，OEMs也是用于电化学反应的优良反应介质。

在低共熔溶剂中，具有丰富亲锂共轭羰基的醌基化合物由于其良好的动力学和稳定的结构而被用作锂金属电池（LMBs）中电解液的添加剂。此外，醌基低共熔混合物的苯环能够通过π-π键与rGO/GO强耦合。考虑到rGO/GO和醌基低共熔溶剂的上述优点，可以通过混合醌基低共熔溶剂和Li盐来制备液体OEMs，然后将其与rGO/GO结合获得有效的亲锂人工保护保护层，其包含丰富的亲锂官能团，具有形成均匀SEI膜的能力和优异的机械性能和稳定性。

02【成果掠影】

近日，南方科技大学程春和深圳技术大学牛树章等人通过将氧化石墨烯片与1，4-苯醌和双(三氟甲烷)磺酰胺锂盐的液态有机低共熔混合物结合来制备GO-BQ@LiTFSI (GBL)中间层。由于这些功能材料的特殊优点，这种结合赋予GBL中间层丰富的亲锂活性位点、良好的离子导电性、优异的热稳定性和与电解质的相容性。因此，GBL有效地促进了低过电位下锂的均匀成核，并调节了锂离子通量，导致了平面锂金属的形成。在Li||Li对称电池中使用GBL中间层后，在3mA cm^-2的电流密度和3 mAh cm^-2的容量下实现了600 h的高电化学稳定性。值得注意的是，这种改进使阴极质量负载约为6mg cm^-2的Li||LiFePO₄全电池在1C下循环1600次，高容量保持率为95.23%。

相关研究文章以“Organic Eutectic Mixture Incorporated with Graphene Oxide Sheets as Lithiophilic Artificial Protective Layer for Dendrite-Free Lithium Metal Batteries”为题发表在Advanced Energy Materials上。

03【核心创新点】

本文中，作者创新性地在醌基OEMs中添加了氧化石墨烯片，制备了GBL中间层，实现了对锂离子流的有效调控，获得无枝晶的锂金属电池。

04【数据概览】

图1 GO-BQ@LiTFSI (GBL)人工保护层示意图。GO和BQ官能团的a)结构和b)结合能。c)调节后的锂离子通量在通过GBL后是均匀的。黄色箭头表示锂离子的流动方向。© 2023 Wiley

图2 GBL及其上形成SEI的表征。a、b)原始状态下的GBL和c、d)第一次循环后的GBL的俯视图和侧视图的SEM图像。e)原始状态和f)第一次循环后的GBL的C1s、F1s和Li 1s的XPS分析。© 2023 Wiley

图3 循环后带有PP和GBL@PP的LMBs铜箔的形貌评价和XPS分析。第一次(a)和第100次循环(b)后使用PP隔膜的铜箔的俯视图和侧视图。在第一次(c)和第300次循环(d)后使用GBL的铜箔的俯视图和侧视图。虚线表示铜箔和电镀锂的界面。第一次电镀后不同氩腐蚀时间铜箔表面SEI膜的XPS分析。来自(e) Cu||Li和(f) Cu||GBL||Li样品的铜箔的C 1s、F 1s和Li 1s的光谱。© 2023 Wiley

图4 Li||GBL||Cu和对照半电池电化学性能。比较a) Li成核过电势、b)剥离和电镀过电势、c)库仑效率(CE)和d)由容量为1 mAh cm^-2、电流密度为0.5mA cm^-2的GBL、GO-BQ、GO-LiTFSI、GO和PP隔膜改进的电池的相应电压滞后曲线。e)在不同的电流密度和1 mAh cm^-2的容量下，使用GBL和纯PP隔膜的半电池的CE比较。© 2023 Wiley

图5 LMBs的电化学性能。a)1.0、2.0、3.0和5.0mA cm^-2下锂电镀和剥离过程的倍率性能。b)在3 mAh cm^-2的容量下，滞后电压与电流密度的变化。c)1 mA cm^-2，容量为1 mAh cm^-2和d)3.0 mA cm^-2，容量为3 mAh cm^-2下对称电池长循环性能。e)Li||GBL||LFP和Li||PP||LFP FCs在1C(1C= 170mA g^-1)电流密度下的循环性能。© 2023 Wiley

图6 a) Li||Cu和b) Li||GBL||Cu LMBs中Li枝晶生长的示意图(侧视图)。© 2023 Wiley

05【成果启示】

作者通过将液态OEM(BQ@LiTFSI)与GO片结合构建了人工保护中间层(GBL)，提供了一种抑制Li枝晶生长的新方法。实验和理论结果表明，GBL中间层含有丰富的亲锂活性中心基团，有助于形成致密的富含LiF 的SEI层。耦合的GBL和SEI不仅可以通过GO固有的高强度和结构稳定性机械地抑制Li枝晶生长，而且还可以均匀地调节Li离子流量以提供无枝晶的Li沉积。通过在Li||Li 对称电池中使用GBL中间层，在3mA cm^-2的电流密度和3 mAh cm^-2的容量下实现了600 h的高电化学稳定性。值得注意的是，这种改进使阴极质量负载约为6mg cm^-2的Li||LiFePO₄ 全电池能够在1 C下循环1600次，高容量保持率为95.23%。

原文详情：Xu, L., Zhang, Q., Niu, S.*, Wang, X., Lian, Q., Huang, Y., Shi, R., Amini, A., Cheng, C.*, Organic Eutectic Mixture Incorporated with Graphene Oxide Sheets as Lithiophilic Artificial Protective Layer for Dendrite-Free Lithium Metal Batteries. Adv. Energy Mater. 2023, 2204214. https://doi.org/10.1002/aenm.202204214

 本文由景行供稿。

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