电子科技大学Jie Xiong课题组--石墨烯量子点作为成核位点和界面调节剂以抑制锂枝晶并用于高载量的锂-硫电池

锂硫电池是替代传统锂离子电池的最有希望的下一代高能量存储设备之一。尽管在高硫负载复合阴极的性能方面取得了可喜的进展，但锂阳极兼容保护策略的发展却严重滞后。本文报道了一种通过在电解液中引入石墨烯量子点来抑制高载量锂-硫电池枝晶生长的新方法。石墨烯量子点作为均匀成核的异质中心，为无枝晶锂沉积提供连续的调控。原位拉曼光谱显示，在调节的电场和离子流作用下，GQDs在电极-电解质界面富集，形成无枝晶Li沉积。结果表明，在电流密度为3 mA cm^-2、面容量为3 mAh cm^-2的条件下循环500h以上，锂枝晶短路的临界电流增加到7.44 mA cm^-2，排除了软短路风险，证明了GQDs具有良好的抑制枝晶的作用。作为概念证明，采用GQDs改性阳极液制备的高负载锂硫电池，在电流密度为3 mA cm^-2、硫载量为4 mg cm^-2、循环次数为200次的情况下，库仑效率稳定在99%。我们的研究结果为解决高载量锂硫电池锂阳极的固有问题提供了一种新且简便的方法。

Figure 1. （a）量子点和GO的吸收光谱。（b）量子点的二维荧光光谱。（c）不同波长光激发下量子点的发射光谱。（d）原始石墨、氧化石墨烯和量子点的XRD图谱。（e）单分散量子点的TEM图像和（f）基于多个图像的相应尺寸分布。（g）量子点的AFM图像和（h）绿线A-B对应的高度分布。（i）量子点的C 1s-XPS光谱。

Figure 2. （a）在3 mA cm^-2电流密度下，电解质中使用和不使用GQDs的Li|Li电池的电压-时间曲线循环，容量为3电解质。电解质中（b）使用和（c）不使用GQDs，锂电池在逐步增加的电流密度下的电压-时间曲线。在电流密度为1 mA cm^-2的电解液中，研究了（d）含和（e）不含GQDs的Li|Cu电池的脱离/沉积性能。（f）Li|Cu电池在1 mA cm^-2电流密度下的循环性能。

Figure 3. 电流密度为3 mA cm^-2时，电解液中锂离子沉积在（a,b,e,f）含和（c,d,g,h）不含GQDs的Li|Cu电池和的SEM图像。锂在沉积容量分别为（a-d）0.5 mAh cm^-2和（e-h）3 mAh cm^-2下的SEM图。当发生软短路时，以3 mA cm^-2和3 mAh cm^-2，Li沉积在Li|Li电池中，（I,j）在具有GQDs电解液和（k,l）不具有GQDs的电解液中运行500h的SEM图。（a–h）中的比例尺为10μm，（m）说明了GQDs控制的沉积过程。

Figure 4. 在（a）0.5C和（b）不同速率下，电解液中使用和不使用GQDs，锂硫电池的CE比较。（c）锂硫电池充电至2.7 V后的自放电曲线。（d）在0.5C下循环200次并静置25 h后，电解液中含有GQDs，锂硫电池的CV曲线。插图是电解液中不含GQDs的电池的CV曲线。

相关研究成果于2020年由电子科技大学Jie Xiong课题组，发表在Nano Energy（2020, 68, 104373）上。原文：Graphene quantum dots as the nucleation sites and interfacial regulator to suppress lithium dendrites for high-loading lithium-sulfur battery。