苏大孙靖宇课题组《AM》：铝集流体上直接生长石墨烯实现无负极钾金属电池

1成果简介 

　　金属钾电池凭借丰富的钾资源而在构建新一代高比能电池中备受关注。不含负极载体的无负极电池结构能够实现最高的理论能量密度。然而，金属钾在疏钾负极集流体上的沉积-剥离效率会导致快速的钾损失和循环寿命的缩短。本文，苏州大学孙靖宇课题组在《Adv Mater》期刊发表名为“Anode-Free Potassium Metal Battery Enabled by Directly Grown Graphene Modulated Aluminum Current Collector”的论文，研究通过在Al集流体上修饰超薄石墨烯实现了高稳定的无负极钾金属电池。　　通过卷对卷等离子增强的化学气相沉积（PECVD）在商品化Al箔表面原位生长亲锂的石墨烯层（Al@G）并将其用作无负极钾金属电池的集流体。通过利用强附着力 (10.52 N m -1 ) 和高表面能 (66.6 mJ m –2)，所设计的 Al@G 结构确保了高度平滑和有序的K镀/脱工艺。因此，在K金属电镀/剥离过程中，Al@G可以在高达4.0mA cm -2 的电流密度和高达4.0 mAh cm -2的循环容量下工作，在0.5 mA cm –2和 0.1–2.0 mA cm –2的周期性电流波动下长达750小时的稳定循环。此外，还构建了一种由 Al@G 阳极集电器启用的新型无阳极K金属全电池原型，证明改善了的循环稳定性。

2图文导读  

图1。铝集流体的合成和表征

图2。集电器的分析表征等

图3。通过XPS分析SEI成分变化。

图4。无K金属全电池阳极的电化学特性

3小结 

　　本研究中，采用PECVD直接在商用铝箔上生长一层缺陷丰富的石墨烯调制层，以制备稳定的阳极集电器，用于无负极金属电池。石墨烯修饰层中的缺陷赋予了高表面能，确保了高度平滑和有序的K镀层剥离过程。石墨烯改性层通过与天然铝氧化物层的化学键与铝基板紧密结合，提高了改性层的长期耐久性。此外，将Al@G作为阳极集电器，k-FES2作为阴极，构建了一种新型的无阳极金属电池原型。这项研究的结果为实现先进的无阳极K-金属电池的阳极集电器上改性层的合理设计提供了见解

文献：

https://doi.org/10.1002/adma.202202902

信息来源：公众号【材料分析与应用】

氧化石墨烯：

氧化石墨烯(graphene oxide )是石墨烯的氧化物，一般用GO表示，其颜色为棕黄色，市面上常见的产品有粉末状、片状以及溶液状的。因经氧化后，其上含氧官能团增多而使性质较石墨烯更加活泼，可经由各种与含氧官能团的反应而改善本身性质。

氧化石墨烯薄片是石墨粉末经化学氧化及剥离后的产物，氧化石墨烯是单一的原子层，可以随时在横向尺寸上扩展到数十微米。因此，其结构跨越了一般化学和材料科学的典型尺度。氧化石墨烯可视为一种非传统型态的软性材料，具有聚合物、胶体、薄膜，以及两性分子的特性。氧化石墨烯长久以来被视为亲水性物质，因为其在水中具有优越的分散性，但是，相关实验结果显示，氧化石墨烯实际上具有两亲性，从石墨烯薄片边缘到中央呈现亲水至疏水的性质分布。因此，氧化石墨烯可如同界面活性剂一般存在界面，并降低界面间的能量。其亲水性被广泛认知。