研究表明，可在高电流密度和高面积容量条件下循环的锂金属，是下一代高性能电池的理想负极材料。然而，由于锂离子（Li+）在高电流密度下的电化学还原加速，负极表面的Li+耗尽，且周围的Li+不可避免聚集，从而使枝晶和死锂更容易生长。这些不利因素反过来会导致库仑效率（CE）降低，并加剧了实际条件下锂金属全电池的容量衰减。因此，调节Li+浓度，尤其是电解质-负极界面处，对于实现高电流密度下锂金属电池的优异性能至关重要。
成果简介
近日，复旦大学彭慧胜教授和王兵杰副研究员在Angew. Chem. Int. Ed.上发表了题为“Lithium metal anodes working at 60 mA cm-2 and 60 mAh cm-2 through nanoscale lithium-ion adsorbing”的论文。该工作合成了一种表面带有极性官能团（具有极强电负性）的石墨烯量子点，其组装成一个超薄的覆盖层，覆盖在锂金属表面，能够在纳米尺度上有效吸附锂离子，以充分缓解锂离子消耗，该吸附层称之为超薄锂离子吸附层（LAL）。实验结果表明，保护后的锂金属负极能够在60 mA cm-2的超高电流密度和60 mAh cm-2的超高面容量条件下，实现超过1000 h的可逆锂沉积/剥离，远远超过现有可用的锂负极。同时，使用保护后的锂金属负极组装的锂-空全电池，其倍率性能和循环性能均得到大幅度提高。
研究亮点
（1）LAL中量子点的强Li+亲和力，使Li+通量在电解质-负极界面内，受到精确的空间限制，并增加了纳米尺度上的局部Li+浓度，从而缓解了高电流密度下的Li+消耗；
（2）Li+可以穿透LAL，促进了连续的Li+吸附效应和无枝晶的锂金属沉积行为；
（3）保护后的锂金属负极能够在超高电流密度和面容量条件下，实现超过1000 h的可逆锂沉积/剥离。组装的锂-空全电池，其倍率性能和循环性能均得到大幅度提高。
图文导读
1. 石墨烯量子点表征
通过自下而上方法制备石墨烯量子点，并将其旋涂在锂负极表面。研究表明，相比裸Li负极，由表面具有极性官能团（强电负性）的石墨烯量子点构成的LAL，其具有超强的Li+亲和力，且Li+可以穿透LAL（图1a-c）。同时，石墨烯量子点的典型尺寸为3-5 nm（图1d），呈现正态尺寸分布（图1e）。进一步表征显示，得益于其丰富的极性基团，合成的量子点可以在普通溶剂中实现均匀的分散，从而在锂负极上具有良好的成膜能力。2. LAL助力局部高Li+浓度
与Li和Cu之间的结合能相比，具有石墨烯量子点的LAL，在分子水平上表现出与Li+更强的相互作用（图2a，b），能够减少锂成核过电位。同时，通过有限元模拟验证了LAL中石墨烯量子点的电负性，有利于在纳米尺度上对Li+的吸附（图2c），其整个LAL/Li表面的Li+浓度分布均匀（图2e）。对比之下，在裸Li表面观察到较低的Li+浓度，尤其是在尖端处（图2d）。此外，与静态下的测量结果类似，LAL/Li的线性扫描伏安（LSV）也显示比裸Li负极明显增加的电流密度，表明LAL/Li的局部Li+浓度较高（图2f）。
3. LAL助力形貌和SEI的稳定性
基于在不同电流密度和不同容量下循环的对称电池，分析了LAL/Li和裸Li负极循环后的形貌和SEI的区别。研究表明，即使在高电流密度和容量下，LAL/Li循环50次之后仍然能够保持平滑的形貌（图3a，b）。同时，通过拉曼映射确定在LAL/Li负极上形成了一个均匀的SEI（图3c，d）。此外，基于XPS分析，表明LAL参与了初始SEI的形成，并保证由此产生的SEI在循环过程中的完整性（图3e，f）。
5. 锂空气电池性能
此外，使用LAL/Li或裸Li负极、碳纳米管空气正极和乙醚电解质组装锂空气电池。研究表明，LAL/Li空气电池可以在环境空气中稳定循环超过450次，具有高度重叠的电压曲线，2.8 V的稳定放电平台（图5a，c），且展现出了更好的倍率性能（图5d）。相比之下，裸Li空气电池循环不超过100圈，且放电平台下降到2.2 V（图5b，c）。