铜量子点在石墨炔上的自发形成及其抑制锂金属枝晶研究学术资讯

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锂金属是理想的高能量密度电池负极，其具有超高的理论容量（3860 mAh/g）和极低的氧化还原电位（相对于标准氢电极为-3.04 V）。科学家们不断对锂金属性质进行研究，尝试将其用于高能量密度二次电池中。然而，锂金属负极的使用还必须克服如下挑战：（1）锂金属沉积过程中的成核和生长过程不可控，易形成枝晶并导致严重的安全问题；（2）锂金属具有较高的费米能级和高热力学不稳定性，与电解液容易发生不可逆反应，不断地消耗锂和电解液，增加内阻，缩短循环寿命；（3）在重复的电镀和剥离过程中，锂金属负极会发生无限的体积和形态变化，形成的固体电解质界面膜无法支撑锂金属电极使用中的大的体积变化，容易产生死锂、固体电解质界面膜反复生成等现象，影响电池寿命。锂金属阳极的这些关键科学问题制约着下一代高能量密度的锂硫电池和锂空气电池的应用。石墨炔作为新兴的二维碳材料，具有新颖的结构和性质，在电化学能源领域受到了广泛的关注。近日，中国科学院化学研究所李玉良院士课题组在研究铜基底对石墨炔生长的影响时，他们发现多晶铜纳米线在石墨炔生长过程中能自发地分裂为大量铜量子点，生成的铜量子点可均匀地分布在石墨炔纳米片的表面，有效避免了铜量子点的聚集。由此规律他们发展了铜量子点修饰石墨炔的制备方法。在石墨炔上均匀分布的铜量子点具有极高的亲锂活性，将锂金属与铜的结合能从2.6 eV提升到3.17 eV。与此同时，该高活性材料还具有大量的孔道可以用于均匀地沉积锂金属，从而很好地解决了金属锂在沉积过程中的不均匀性和锂枝晶生成问题。有效提升了锂金属电化学过程中的效率和寿命，为解决锂金属负极的高效安全使用问题提供了新方法。该文章发表在国际顶级期刊Advanced Materials 上。化学所左自成副研究员为本文第一作者。