鋰金屬是下一代鋰電池最有前途的負極。盡管如此，其不均勻的鋰成核、枝晶生長和無限體積變化導(dǎo)致電池快速失效并阻礙了其實際應(yīng)用。在這里，提出了一種通過碳化物介導(dǎo)的催化氫解在碳基質(zhì)上生長的有缺陷的石墨烯殼作為穩(wěn)定的鋰金屬主體。它的表面有許多帶有缺陷石墨烯殼的納米通道，可以有效地引導(dǎo)無枝晶的鋰沉積并容納合理數(shù)量的金屬鋰，而不會發(fā)生嚴重的電池體積變化。由于這些特性，主體在碳酸鹽電解質(zhì)全電池評估中表現(xiàn)出良好的循環(huán)穩(wěn)定性（500 次循環(huán)后為 87.2%）和低尺寸變化（9 µm）。除了在碳酸鹽電解質(zhì)中具有良好的性能外，該多功能鋰宿主作為鋰離子通量調(diào)節(jié)中間層，也在基于Li
6PS
5Cl的高能量密度全固態(tài)電池全電池構(gòu)型中實現(xiàn)了更好的循環(huán)性能。
Fig 1. 碳化物介導(dǎo)的催化氫解機理。 (a) Ar/H
2 氣氛下 TM 催化的碳氫解反應(yīng)示意圖。 (b-c) 傳統(tǒng) (b) 和碳化物介導(dǎo) (c) 催化氫化后碳表面的示意圖。 (d-f) 作為一種過渡金屬催化劑的常規(guī)和碳化物介導(dǎo)的氫解的詳細反應(yīng)途徑 (d) 和石墨烯殼在 Fe
3C/Fe 催化劑上的等溫生長 (e-f) 來自碳化物介導(dǎo)的氫解的碳過飽和。 (g) CM-hy-C 的 XPS 深度剖析分析。 (h-j) Ni 催化劑 (hy-C) 常規(guī)氫解后碳的 SEM 圖像（h 和 i）和橫截面 TEM 圖像（j）。 (k-m) 在碳化物介導(dǎo)的 Fe 催化劑氫解后碳的 SEM 圖像（k 和 l）和橫截面 TEM 圖像（m）。
Fig 2. 催化氫解后碳的結(jié)構(gòu)分析和缺陷誘導(dǎo)電偶置換后的表征。 (a 和 b) hy-C (a) 和 CM-hy-C (b) 的拉曼散射光譜。 (c) CM-hy-C（頂部）和 hy-C（底部）中二維峰的拉曼光譜。 (d) CM-hy-C 表面的橫截面 TEM 圖像。 (e-g) 高分辨率 HAADF STEM 圖像（e 和 f）和放大的 FFT 反相圖像（g），用于研究 CM-hy-C 上石墨烯殼的缺陷。 (h-j) hy-C 表面 (h) 的橫截面 TEM 圖像和 hy-C 中納米通道的放大 TEM 圖像（i 和 j）。 (k) hy-C 中納米通道的 HAADF STEM 圖像。(l) 使用 XPS 深度剖析對 GR|CM-hy-C 進行元素定量分析。插圖：Au 元素的放大圖。 (m 和 n) GR|CM–hy–C (m) 和 GR|hy–C (n) 背散射電子模式的 SEM 分析。插圖：GR|CM–hy–C (m) 的 HAADF STEM 圖像和 GR|hy–C (n) 的 TEM 圖像。
Fig 3. GR|CM-hy-C的鋰成核和生長行為及其鍍鋰過程中的厚度變化。 (a) GR|CM-hy-C與鋰金屬對電極的鍍鋰/剝離測試。 (b) 在 0.3 mA cm
-2 下，每個樣品的鋰沉積和完全剝離鋰的電壓曲線。插圖：Li 成核過電勢（左）和每個樣品的初始庫侖效率（右）的放大電壓曲線。 (c) 0.5 mAh cm
-2 鋰電鍍后 GR|CM-hy-C 的 SEM 圖像。插圖：Li 在 Au 納米點上成核的示意圖。 (d) 具有不同面容量的鍍鋰 GR|CM-hy-C 的 SEM 圖像。 (e-h) 原始 GR|CM–hy–C (e)、1 mAh cm
-2 (f)、2 mAh cm
-2 (g) 和 3 mAh cm
-2 Li 后的橫截面 SEM 圖像電鍍 GR|CM–hy–C (h)。 (i) 碳化物介導(dǎo)的氫解層的厚度作為 Li 沉積量。 (j 和 k) 鍍鋰 GR|CM–hy–C (j) 和 GR|hy–C (k) 在 3.4 mAh cm
-2 后的 SEM 圖像。 (l) 每個樣品的袋式電池膨脹測量法，用于在 Li 電鍍過程中測量電池水平的厚度變化。
Fig 4. 袋型全電池性能和 3 電極分析。 (a 和 b) 每個樣品的全電池循環(huán)穩(wěn)定性 (a) 和庫侖效率作為循環(huán) (b)，具有受限的 Li 存量。 0.8 和 1.6 mA cm
-2 的電流密度分別用于充電和放電過程。 (c) 帶 Li 參比電極的袋型全電池的 3 電極分析。黑線和黃線分別表示陰極和陽極的電壓。 (d) 全電池與商用石墨、鋰箔和 GR|CM-hy-C 負極配對的原位厚度變化。 （e 和 f）鋰箔負極電池厚度變化的放大圖。 (g) 循環(huán)后鋰箔負極的 SEM 圖像。 (h 和 i) 石墨和 GR|CM-hy-C 細胞厚度變化的放大圖。 (j) 循環(huán)后 GR|CM–hy–C 的 SEM 圖像。
Fig 5. 在全固態(tài)全電池配置中的應(yīng)用。 (a) ASSBs 配置與銀錳礦固態(tài)電解質(zhì)的示意圖。 (b) ASSB 中超過 4.2 mAh cm
-2 的各種陽極電極的估計厚度。 (c) GR|CM–hy–C || 的第一個循環(huán)電壓曲線NCM811和鋰|| NCM811。 (d 和 e) GR|CM–hy–C || 的循環(huán)性能 (d) 和庫侖效率 (e) NCM811和鋰|| NCM811。所有測試均在充電和放電過程中以 0.3 C 倍率的電流密度進行。 (f-h) 循環(huán)后鋰的橫截面 SEM 圖像 || NCM811。 (i-k) 循環(huán)后 GR|CM–hy–C || 的橫截面 SEM 圖像NCM811。
相關(guān)研究工作由韓國蔚山科學(xué)技術(shù)大學(xué)的JaephilCho課題組于2023年在線發(fā)表在《Energy & Environmental Science》期刊上。原文：Carbide-mediated catalytic hydrogenolysis: defects in graphene on carbonaceous lithium host for liquid and all-solid-state lithium metal batteries。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
