陈人杰/黄永鑫InfoMat: 界面工程设计形成3D亲锂主体实现无枝晶锂负极

锂金属因其高理论容量和低电化学电位而被视为可充电电池负极的“圣杯”。然而，锂枝晶的生长可能会导致电化学电镀/剥离过程中的库仑效率（CE）低、容量衰减快和潜在的安全隐患，给实际应用带来重大挑战。使用3D主体可以限制锂沉积的体积增长和死锂的产生，是一个有吸引力的选择。

在此，北京理工大学陈人杰教授、黄永鑫副研究员等人提出了一种由还原氧化石墨烯（rGO）泡沫和Co₃O₄/NiO异质结组成的3D复合框架的创新设计，用于实现无枝晶锂金属负极。该框架的制备主要分为3步：首先，通过有效的均匀混合和煅烧两步法制备Co₃O₄/NiO异质结。随后，将异质结与GO溶液均匀混合。最后，通过冷冻干燥将Co₃O₄/NiO异质结复合在rGO表面，最终获得了多维复合主体。

研究表明，Co₃O₄/NiO异质结提供了丰富的相界，有利于提供活性位点并增强锂原子的吸附能，异质结构降低的成核势垒可以进一步调节锂电镀过程。此外，rGO基底可形成导电网络，缓解锂沉积引起的体积膨胀。原位XRD进一步表明，Co₃O₄/NiO异质结的稳定性在电镀/剥离过程中没有受到显著影响，在长循环过程中仍然可以保持丰富的边界来调节锂沉积。

图1. Co₃O₄/NiO-rGO网络示意图及其在循环中的作用

因此，基于以上协同效应，具有亲锂Co₃O₄/NiO-rGO主体的锂负极表现出超稳定的库伦效率，在1 mA cm^-2的电流密度和1 mAh cm^-2的容量下具有超过1000次循环的长循环寿命。即使电流密度高达10 mA cm^-2，Co₃O₄/NiO-rGO-Li负极也具有低滞后电压，表明Co₃O₄/NiO-rGO网络具有很强的电子导电性和稳定的可逆性。

为了进一步证实该网络的实际应用，作者基于Co₃O₄/NiO-rGO-Li负极与商用LiFePO₄正极直接匹配组装的全电池也表现出优异色的循环性能，在1 C下具有超过500次循环的超长寿命。总之，这项工作使用界面工程将两种没有亲锂性的氧化物结合起来形成亲锂材料，从而拓宽了可用的亲锂物种的种类，也为设计用于锂金属负极的多维复合框架提供了更多灵感和机会。

图2. Co₃O₄/NiO-rGO-Li负极的电化学性能

Multidimensional Co₃O₄/NiO heterojunctions with rich-boundaries incorporated into reduced graphene oxide network for expanding the range of lithiophilic host, InfoMat 2022. DOI: 10.1002/inf2.12313