鋰金屬是下一代鋰電池最有前途的負極。盡管如此，其不均勻的鋰成核、枝晶生長和無限體積變化導致電池快速失效并阻礙了其實際應用。在這里，提出了一種通過碳化物介導的催化氫解在碳基質上生長的有缺陷的石墨烯殼作為穩定的鋰金屬主體。它的表面有許多帶有缺陷石墨烯殼的納米通道，可以有效地引導無枝晶的鋰沉積并容納合理數量的金屬鋰，而不會發生嚴重的電池體積變化。由于這些特性，主體在碳酸鹽電解質全電池評估中表現出良好的循環穩定性（500 次循環后為 87.2%）和低尺寸變化（9 µm）。除了在碳酸鹽電解質中具有良好的性能外，該多功能鋰宿主作為鋰離子通量調節中間層，也在基于Li
6PS
5Cl的高能量密度全固態電池全電池構型中實現了更好的循環性能。
Fig 1. 碳化物介導的催化氫解機理。 (a) Ar/H
2 氣氛下 TM 催化的碳氫解反應示意圖。 (b-c) 傳統 (b) 和碳化物介導 (c) 催化氫化后碳表面的示意圖。 (d-f) 作為一種過渡金屬催化劑的常規和碳化物介導的氫解的詳細反應途徑 (d) 和石墨烯殼在 Fe
3C/Fe 催化劑上的等溫生長 (e-f) 來自碳化物介導的氫解的碳過飽和。 (g) CM-hy-C 的 XPS 深度剖析分析。 (h-j) Ni 催化劑 (hy-C) 常規氫解后碳的 SEM 圖像（h 和 i）和橫截面 TEM 圖像（j）。 (k-m) 在碳化物介導的 Fe 催化劑氫解后碳的 SEM 圖像（k 和 l）和橫截面 TEM 圖像（m）。
Fig 2. 催化氫解后碳的結構分析和缺陷誘導電偶置換后的表征。 (a 和 b) hy-C (a) 和 CM-hy-C (b) 的拉曼散射光譜。 (c) CM-hy-C（頂部）和 hy-C（底部）中二維峰的拉曼光譜。 (d) CM-hy-C 表面的橫截面 TEM 圖像。 (e-g) 高分辨率 HAADF STEM 圖像（e 和 f）和放大的 FFT 反相圖像（g），用于研究 CM-hy-C 上石墨烯殼的缺陷。 (h-j) hy-C 表面 (h) 的橫截面 TEM 圖像和 hy-C 中納米通道的放大 TEM 圖像（i 和 j）。 (k) hy-C 中納米通道的 HAADF STEM 圖像。(l) 使用 XPS 深度剖析對 GR|CM-hy-C 進行元素定量分析。插圖：Au 元素的放大圖。 (m 和 n) GR|CM–hy–C (m) 和 GR|hy–C (n) 背散射電子模式的 SEM 分析。插圖：GR|CM–hy–C (m) 的 HAADF STEM 圖像和 GR|hy–C (n) 的 TEM 圖像。
Fig 3. GR|CM-hy-C的鋰成核和生長行為及其鍍鋰過程中的厚度變化。 (a) GR|CM-hy-C與鋰金屬對電極的鍍鋰/剝離測試。 (b) 在 0.3 mA cm
-2 下，每個樣品的鋰沉積和完全剝離鋰的電壓曲線。插圖：Li 成核過電勢（左）和每個樣品的初始庫侖效率（右）的放大電壓曲線。 (c) 0.5 mAh cm
-2 鋰電鍍后 GR|CM-hy-C 的 SEM 圖像。插圖：Li 在 Au 納米點上成核的示意圖。 (d) 具有不同面容量的鍍鋰 GR|CM-hy-C 的 SEM 圖像。 (e-h) 原始 GR|CM–hy–C (e)、1 mAh cm
-2 (f)、2 mAh cm
-2 (g) 和 3 mAh cm
-2 Li 后的橫截面 SEM 圖像電鍍 GR|CM–hy–C (h)。 (i) 碳化物介導的氫解層的厚度作為 Li 沉積量。 (j 和 k) 鍍鋰 GR|CM–hy–C (j) 和 GR|hy–C (k) 在 3.4 mAh cm
-2 后的 SEM 圖像。 (l) 每個樣品的袋式電池膨脹測量法，用于在 Li 電鍍過程中測量電池水平的厚度變化。
Fig 4. 袋型全電池性能和 3 電極分析。 (a 和 b) 每個樣品的全電池循環穩定性 (a) 和庫侖效率作為循環 (b)，具有受限的 Li 存量。 0.8 和 1.6 mA cm
-2 的電流密度分別用于充電和放電過程。 (c) 帶 Li 參比電極的袋型全電池的 3 電極分析。黑線和黃線分別表示陰極和陽極的電壓。 (d) 全電池與商用石墨、鋰箔和 GR|CM-hy-C 負極配對的原位厚度變化。 （e 和 f）鋰箔負極電池厚度變化的放大圖。 (g) 循環后鋰箔負極的 SEM 圖像。 (h 和 i) 石墨和 GR|CM-hy-C 細胞厚度變化的放大圖。 (j) 循環后 GR|CM–hy–C 的 SEM 圖像。
Fig 5. 在全固態全電池配置中的應用。 (a) ASSBs 配置與銀錳礦固態電解質的示意圖。 (b) ASSB 中超過 4.2 mAh cm
-2 的各種陽極電極的估計厚度。 (c) GR|CM–hy–C || 的第一個循環電壓曲線NCM811和鋰|| NCM811。 (d 和 e) GR|CM–hy–C || 的循環性能 (d) 和庫侖效率 (e) NCM811和鋰|| NCM811。所有測試均在充電和放電過程中以 0.3 C 倍率的電流密度進行。 (f-h) 循環后鋰的橫截面 SEM 圖像 || NCM811。 (i-k) 循環后 GR|CM–hy–C || 的橫截面 SEM 圖像NCM811。
相關研究工作由韓國蔚山科學技術大學的JaephilCho課題組于2023年在線發表在《Energy & Environmental Science》期刊上。原文：Carbide-mediated catalytic hydrogenolysis: defects in graphene on carbonaceous lithium host for liquid and all-solid-state lithium metal batteries。
轉自《石墨烯研究》公眾號
