鋰金屬由于自身較高的比容量（3860mAh/g）、較低的電化學勢能(-3.04VvsSHE)和優良的導電性將作為可充電鋰電池負極材料的最終選擇。同時，它是Li-S和Li-O2電池不可或缺的部分，可實現高比容量，滿足不斷增長的能量密度要求。為了解鎖鋰金屬電池中巨大的容量，首先要解決的問題就是鋰枝晶無規則的生長和鋰沉積/剝離過程中體積無限的變化。為了解決這些問題，多孔導電支架被引入到負極當中，期望能抑制鋰枝晶生長并使鋰金屬電極的體積變化最小。然而，這些多孔金屬質量密度較大，顯著降低了復合電極的總能量密度，并消除了鋰金屬負極在比容量和能量密度方面的優勢。因此，非常希望開發具有較低界面能的輕質、柔性、導電和多孔的主體材料。

成果簡介

近期，日本東北大學教授及美國約翰·霍普金斯大學客座教授陳明偉采用一種親鋰的3D納米多孔N摻氮石墨烯為骨架，實現了穩定的、無枝晶的鋰沉積/剝離，為鋰金屬體積波動提供充足的空間。這種骨架使得鋰金屬電池保持較長的循環穩定性和超高的倍率性能，顯著改善了電荷存儲性能，提高能量密度。

研究亮點

1）制備方法簡單；

2）親鋰性官能團使得鋰的負載簡單，材料超低的密度使其擁有極高的載鋰量；

3）無鋰枝晶的鋰沉積/剝離行為；

4）優異的循環穩定性和倍率性能。

要點分析：通過化學氣相沉積（CVD）方法在納米多孔Ni基上制造3D納米多孔N摻雜石墨烯。從（b）看出，具有厘米尺寸的N摻雜石墨烯薄膜由三維空間中連續的石墨烯片組成，并且這層薄膜具有密度小（<0.06gcm-3），比表面積大（706m2g-1），導電良好（1172Sm-1）的特點，可通過CVD生長過程中對其進行化學摻雜來改變它的化學性質及浸潤性。大約1.1%的N摻雜就能顯著改善多孔納米石墨烯的親鋰特性（圖S2a–d和視頻S1,S2）。表面親鋰性官能團及納米孔產生的毛細管力使得鋰熔體很容易注入到納米孔通道中，鋰負載量可達95.3％，在（c）中可看到在N摻雜石墨烯-Li電極內部可形成均勻的鋰涂層，因此減小了內部孔徑（0.1-0.9μm），很好地保持了石墨烯支架的3D多孔結構。然而在純的石墨烯中，由于表面的疏鋰特性，使得鋰的負載變得很困難。

要點分析：從恒電流循環電壓時間曲線上看，純Li電極在前175次循環期中過電位逐漸增加，在隨后的循環中電壓驟升驟降，說明形成了鋰枝晶。對于純石墨烯-Li電極，在剝離結束，沉積開始時電壓增加，這很可能與石墨烯中Li的分布均勻程度有關。相比其他兩種電極，N摻雜石墨烯-Li電極電壓曲線波動小得多，并表現出超長的循環壽命，循環727圈后沒有明顯的電壓波動和過電勢增加。將其性能改善原因歸因于以下兩點：1）Li預先存儲在N摻雜的石墨烯中，并且每次剝離都不能完全去除所有的Li。因此，每次沉積/剝離都可能發生在鋰表面上，因此，鋰的沉積/剝離成核勢壘較?。?）具有均勻鋰涂層的N摻雜石墨烯-Li電極可以很好地保留原始樣品光滑的表面（可見圖3a-d），從而顯示出均勻且無枝晶的鋰沉積/剝離行為，并產生相對穩定的電壓平臺和維持較好的循環穩定性。圖（b）進一步將循環容量增加到10mAhcm-2，電流密度增加到5mAcm-2，N摻雜石墨烯-Li電極的電壓曲線只表現出小的擺動和滯后現象，并且127圈后依然未出現短路現象。說明N摻雜石墨烯-Li電極在更高的鋰沉積/剝離容量和更高的電流密度下，依然能保持無鋰枝晶的鋰沉積/剝離行為。圖（c）顯示N摻雜石墨烯-Li電極具有優異的倍率性能。

要點解析：圖（a-d）N摻雜的石墨烯-Li電極保留了3D多孔結構和原始樣品光滑的表面，在1mAhcm-2和1mAcm-2下50次循環后電極厚度僅增加約13％。在放大橫截面圖像（i，j）中，N摻雜的石墨烯-Li電極顯示出光滑的表面，保持了良好的鋰-石墨烯接觸和均勻的鋰涂層。沒有觀察到明顯的鋰團聚體，表明Li成功地沉積回N摻雜的石墨烯主體中，同時形成穩定的SEI層，揭示了無枝晶沉積/剝離行為。然而，純Li和純石墨烯-Li電極表現出類似苔蘚的鋰枝晶（圖3e，g和圖S12c，d）。大量的鋰枝晶導致Li金屬電極的厚度增加超過29％（≈50μm），這也很好地解釋了鋰沉積/剝離電壓曲線中，它們的電壓波動和較差的循環穩定性（圖2a）。

要點解析：與使用純Li電極的電池相比，納米多孔N摻雜石墨烯-Li||LiFePO4全電池表現出更小的極化，發揮出更高的容量。全電池中，納米多孔N摻雜石墨烯-Li相比純Li電極表現出更優異的倍率性能和循環穩定性。

總結與展望

本文采用3D納米多孔N摻雜石墨烯作為鋰金屬的支撐骨架，開發了一種高性能的鋰復合負極材料。該材料具有親鋰表面，快速的質量傳輸通道和高電導率，可以很好地解決在充電和放電期間不受控制的鋰枝晶生長和鋰負極無限體積變化的問題。同時，超低的質量密度，大大提高了鋰的負載量，可實現高容量的發揮。在對稱電池和LiFePO4配對的全電池中都表現出優異的循環壽命和倍率性能。該研究為設計高效可靠的鋰金屬負極提供了新途徑。此方法也可拓展到其他金屬電極，廣泛適用于金屬電池。