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廣東工業大學Shaoming Huang和Yijuan Li課題組--激光誘導石墨烯陣列與親鋰MnOx納米顆粒的集成設計可實現卓越的鋰金屬電池

鋰金屬電池的實際應用受到循環過程中不受控制的枝晶生長的限制。在此，提出了一種簡單且可擴展的方法來使用激光劃線技術穩定鋰金屬陽極，以集成設計和構建具有親鋰金屬氧化物納米顆粒的激光誘導石墨烯（LIG）。多孔 LIG 和親石 MnOx 納米顆粒有效降低 Li 的成核過電位并調節均勻的 Li 鍍層，而陣列結構提供連續和超快的離子/電子傳輸通道，以高速率和高容量加速 Li+ 傳輸動力學。因此，Li@MnOx@LIG-a 陽極表現出高達 40 mA cm^-2 的優異倍率能力和低成核過電位。它還可以承受 20 mAh cm^-2 的超高鋰容量，而不會出現枝晶生長，并在 40 mA cm^-2 下以 100% 放電深度穩定循環 3000 小時。更重要的是，這項技術可以擴展到其他金屬氧化物，用于各種金屬電池。

Fig 1. CO₂ 激光誘導技術對 MnOx 修飾石墨烯陣列的整合設計和合成路線。

Fig 2. (a）描繪了激光技術形成 MnOx@LIG 復合材料的示意圖。（b） LIG 和 MnO 的 XRD 圖譜 x@LIG. （c） LIG 和 MnO 的拉曼光譜 x@LIG. （d） LIG 和 MnO 的 XPS 全光譜x@LIG. 高分辨率（e） Mn 2p，（f） O 1s 和（g） C 1s MnO x@LIG XPS 光譜。

Fig 3. （a） p-LIG 陣列、（b） LIG 陣列和（c） MnOx@LIG 陣列的低放大倍率頂視圖 SEM 圖像。（d）高倍率 SEM 圖像和（e， f） LIG 的 TEM 圖像。（g）高倍率 SEM 圖像，（h） TEM 圖像，（i） HRTEM 圖像和（j） MnO x@LIG 的 SAED 圖像，以及（k） C、O 和 Mn 元素的相應 EDX 映射。

Fig 4. （a） MnOx@LIG-a 和 Cu 箔電極在 1 mA cm^-2 時的成核過電位。（b） MnOx@LIG-a、LIG-a、p-LIG-a 和銅箔電極在 1 mA cm^-2-1 mAh cm^-2 下的庫侖效率，以及 MnOx@LIG-a 電極在 0.5 mA cm^-2-0.5 mAh cm^-2 和 5 mA cm^-2-1 mAh cm^-2 下的庫侖效率。（c）使用銅箔和 MnOx@LIG-a 電極在 0.5-40 mA cm^-2 下測量對稱電池的倍率性能，固定面積容量為 1 mAh cm^-2。使用 Cu 箔和 MnOx@LIG-a 電極在（d） 10 mA cm^-2-10 mAh cm^-2 和（e） 40 mA cm^-2-20 mAh cm^-2 下測量對稱電池的循環性能。（f）使用MnOx@LIG-a負極和各種LMAs在不同電流密度下的對稱電池循環壽命的比較

Fig 5. （a） 5 mAh cm^-2 和（b） 20 mAh cm^-2 的 Li 沉積后銅箔的 SEM 圖像;（c）第 50 個 Li 鍍層和（d）第 50 個 Li 以 3 mA cm^-2-10 mAh cm^-2 剝離后的銅箔電極。（e） Cu 箔電極上鍍鋰行為的示意圖。（f） 5 mAh cm^-2 和（g） 20 mAh cm^-2 的 Li 沉積后 LIG-a 的 SEM 圖像;（h）第 50 個 Li 鍍層和（i）第 50 個 Li 剝離后，在 3 mA cm^-2-10 mAh cm^-2 下剝離。（j） LIG-a 電極上鍍鋰行為的示意圖。（k） 5 mAh cm^-2 和（l） 20 mAh cm^-2 的 Li 沉積后 MnOx@LIG-a 的 SEM 圖像;（m）第 50 個 Li 鍍層和（n）第 50 個 Li 剝離后，MnOx@LIG-a 電極在 3 mA cm^-2-10 mAh cm^-2 下剝離。（o） MnOx@LIG-a 電極上鍍鋰行為的示意圖（嵌圖是相應的光學圖像）。

Fig 6. （a） Li@MnOx@LIG-a||LFP 完整電池。（b） Li@MnOx@LIG-a||LFP，Li@LIG-a||LFP 和 Li@Cu||0.1–5 C 下的 LFP 電池。（c） Li@MnOx@LIG-a||不同電流速率的 LFP 電池。（d） Li@MnOx@LIG-a||LFP 電池在 1 C 下進行不同循環。（e） Li@MnOx@LIG-a||LFP，Li@LIG-a||LFP 和 Li@Cu||LFP 電池在 1 C 下，以及（插圖）由 1 Li@MnOx@LIG-a||LFP 紐扣電池，帶有由 LIG 技術制備的學校徽章。

相關研究工作由廣東工業大學Shaoming Huang和Yijuan Li課題組——激光誘導石墨烯陣列與親鋰 MnOx 納米顆粒的集成設計可實現卓越的鋰金屬電池于2024年聯合在線發表在《eScience》期刊上，Integrative design of laser-induced graphene array with lithiophilic MnOx nanoparticles enables superior lithium metal batteries，原文鏈接: https://doi.org/10.1016/j.esci.2023.100134

轉自《石墨烯研究》公眾號



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