崔屹Chem:用于高容量锂电池的石墨金属锂混合负极
前言：
今天要分享的不是最新的文献，是崔屹课题组16年发表在Chem上的一篇论文，文章的内容还是挺有意思的，因此作为资讯供大家快速浏览学习。论文标题：Graphite-EncapsulatedLi-Metal Hybrid Anodes for High-Capacity Li Batteries, Chem 2016, 1, 287-297.
背景：
在如今得到广泛商业化应用的锂离子电池中，石墨得益于其高性能和低廉的价格而成为了锂离子电池的通用负极材料。然而，石墨层间化合物的容量较低（LiC6，372 mAh g-1），难以满足电动车、手机等电子设备日益增长的储能需求。在近几年，金属锂得益于其极高的理论容量（3860 mAh g-1）和最低的氧化还原标准电极电势而成为了下一代二次电池的研究热点。近日，美国斯坦福大学的崔屹课题组提出了一种新的用于高容量锂电池的石墨金属锂混合负极，通过石墨层间化合物和金属锂的双重混合储锂机制，大幅提高了库伦效率，获得了稳定的循环性能。
当在石墨负极中以石墨层间化合物的形式沉积超过372 mAh g-1的容量后，锂开始以金属锂的形式沉积。对于普通二维石墨片，金属锂会在石墨片边缘沉积，易形成锂枝晶（图1A）；而崔屹课题组采用的人造石墨颗粒具有大量的边缘结构和冗余空间，沉积金属锂时更优先在人造石墨颗粒内部沉积，减少了外部生长枝晶的可能（图1B）。这样不仅抑制了石墨负极超量沉积金属锂时的枝晶生长，还减少了金属锂与电解液反应形成固体电解质界面膜。当控制一定沉积量下，这样的石墨层间化合物和金属锂双重储锂的人造石墨颗粒可以带来无枝晶安全的沉积形貌和较高的电化学性能。
图1. 不同石墨负极沉积金属锂示意图。（A）普通二维石墨和（B）人造石墨颗粒嵌锂前后示意图。（C）普通二维石墨和（D）人造石墨颗粒及其截面（E）的扫描电子显微镜照片。
研究人员用库伦效率比较了人造石墨颗粒和普通二维石墨片的电化学性能。当储锂容量是石墨层间化合物理论容量2倍时（744 mAh g-1），对于人造石墨颗粒，其库伦效率可以稳定在98.4%，并保持稳定循环80圈；而普通二维石墨片的库伦效率较低，在第50圈时仅约92%（图2）。此外，在极化曲线等方面人造石墨颗粒也表现了更优异的性能。
图2. 人造石墨颗粒负极（MAG）的库伦效率
这篇工作中，研究者们提出的人造石墨颗粒金属锂混合负极结构可以有效地避免锂枝晶形成并稳定地沉积金属锂。这样的石墨层间化合物与金属锂共同存在并发挥作用的储锂形式提高了石墨作为金属锂负极的储锂容量，同时也获得了更高更稳定的库伦效率。这一工作为下一代锂离子电池和金属锂二次电池的研究开拓了新的电极设计思路。
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