给金属锂盖个不怕水的房子学术资讯

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随着人类社会对能源需求越来越紧迫，高密度能量存储设备已经成为制约便携电子设备电量、动力汽车续航、智能电网储能等关键问题的瓶颈之一。而被寄予厚望的锂离子电池是否能最终满足这一需求呢？今日，上海科技大学的刘巍团队通过石墨烯稳定锂金属，使原本活性很高的锂金属负极电池同时具有良好的安全性和很高的电化学性能。
金属锂具有极高的理论比容量（3860 mAh g-1）和极低的电化学势（-3.040 V），在应用于锂电池负极时会极大提高电池的能量密度，因此被人们视为负极研究的“圣杯”。然而，由于天然金属锂具有极高的反应活性，在制备和使用时很容易引发安全事故，目前并没有理想的手段在不影响金属锂活性前提下抑制其与外界环境，尤其是与水和空气的反应。另外，当使用金属锂作为电池负极时，在锂离子沉积和脱出过程中极易造成金属锂表面产生树枝状的锂枝晶，进而可能刺穿电池隔膜引发正负极短路，造成电池失效甚至爆炸。

上海科技大学物质学院刘巍课题组针对这一问题，提出了利用垂直结构的石墨烯组装阵列（graphene arrays）构建具有层次结构的金属锂载体的策略。该工作结合了第一作者董雷在石墨烯组装上的研究基础，将金属锂负载在由垂直石墨烯阵列形成的二维孔道中，并在金属锂表面构建一层由石墨烯阵列形成的致密防护层。当电池充放电时，锂离子可以在二维垂直通道中快速扩散，从而提高电池倍率性能。同时，这些二维限域空间很大程度上促进锂离子在金属锂表面均匀沉积，抑制了锂枝晶的产生。另外，由石墨烯阵列构成的致密防护层与通常的石墨烯膜不同，其具有大量自上而下的锂离子传输通道，保证了电化学反应高效进行。更为重要的是，这层致密的石墨烯防护层具有天然的疏水和阻隔空气能力，从而赋予金属锂负极很好的安全性。

该研究克服了传统意义上金属锂极易与空气和反应的缺点，并且保持了金属锂自身的电化学活性。该方法对于金属锂负极的实用化有很好的指导意义。尤其当电池遭遇撞击损坏或发生水汽侵入时，这样的金属锂保护策略可以有效地抑制燃烧、爆炸等灾害事故的发生。另外对于正处在研究前沿的锂金属-空气电池，其负极很难避免与外界环境直接接触，这样的保护策略也可以有效地防止其锂金属负极过早失效。
这一成果近期发表在Advanced Materials 上。文章的第一作者是上海科技大学助理研究员董雷。

原文：Water-Stable Lithium Metal Anodes with Ultrahigh-Rate Capability Enabled by a Hydrophobic Graphene ArchitectureLei Dong, Lu Nie, Wei LiuAdv. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adma.201908494

刘巍博士简介

刘巍，上海科技大学物质科学与技术学院助理教授、研究员、博士生导师。2008年获北京师范大学材料物理理学学士学位，2013年获清华大学材料学院材料科学与工程工学博士学位，博士期间在日本东京大学交流访学，2013-2017年在美国斯坦福大学从事博士后研究，2017年3月起就职于上海科技大学。研究工作涉及固态离子材料、陶瓷复合材料和纳米材料，应用于下一代高能量、高功率和高安全锂电池、固体氧化物燃料电池以及柔性电子器件等领域。至今共发表学术论文60余篇，其中通讯/一作论文包括Nature Energy、Nature Commun、Sci Adv、Chem、Adv Mater、JACS、Nano Lett等30篇，9篇入选ESI高被引论文，2篇入选热点论文。论文总被引次数为4300余次，h因子30。受邀担任Nature Commun、Joule和Nano Lett等国际期刊审稿人。主持国家自然科学基金青年基金。

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