理工大學(xué)教授胡勁團(tuán)隊報道了一種通過簡單的涂層策略，制備由還原氧化石墨烯(rGO)封裝液態(tài)金屬納米液滴的新型核-殼結(jié)構(gòu)GaSn@rGO NPs復(fù)合電極作為室溫液態(tài)金屬電池正極材料。結(jié)果表明，通過對電極結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計，GaSn@rGO NP展現(xiàn)出優(yōu)異的倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性，該研究為室溫液態(tài)金屬電池的應(yīng)用提供了前所未有的機(jī)會。論文《Core-shell GaSn@rGO nanoparticles as high-performance cathodes for room-temperature liquid metal batteries》于2022年6月發(fā)表在期刊《Scripta Materialia》，文章第一作者是昆明理工大學(xué)稀貴金屬研究中心博士生王愷釗，通訊作者為胡勁教授。

鎵基液態(tài)金屬具有較高的鋰化比容量和良好的自愈性，是一種極具前景的室溫液態(tài)金屬電池正極材料。然而，大多數(shù)液態(tài)金屬正極材料面臨著嚴(yán)重的挑戰(zhàn)，包括體積膨脹大，固體電解質(zhì)界面(SEI)不穩(wěn)定以及容量衰減嚴(yán)重。在這里，我們報道了一種簡單的涂層策略，由還原氧化石墨烯(rGO)封裝液態(tài)金屬納米液滴的新型核-殼結(jié)構(gòu)GaSn@rGO NPs復(fù)合電極，該復(fù)合材料在充/放電過程中可以保持高度的結(jié)構(gòu)完整性并展現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能。褶皺還原氧化石墨烯外殼在充/放電過程中為液態(tài)金屬的鋰化膨脹提供了優(yōu)越的緩沖性能并可以形成穩(wěn)定的SEI膜，從而實現(xiàn)了卓越的循環(huán)穩(wěn)定性。通過原位x射線衍射分析表明，這種新型GaSn@rGO NP復(fù)合電極是基于合金/脫合金化的鋰存儲機(jī)制。該研究表明，合理結(jié)構(gòu)設(shè)計的液態(tài)金屬正極材料為實現(xiàn)優(yōu)異倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性的室溫液態(tài)金屬電池帶來全新的思路。

通過液態(tài)金屬納米液滴正極涂覆還原氧化石墨烯殼層是一種很有前途的緩解體積膨脹的手段。與原始的GaSn NDs相比，完全包覆還原氧化石墨烯的GaSn@rGO NPs具有以下優(yōu)點：首先，采用簡易超聲處理以低成本制備LM@rGO NPs。其次，褶皺的還原氧化石墨烯殼在鋰化/剝離過程中表現(xiàn)出良好的彈性行為，可以適應(yīng)鋰化體積膨脹并防止GaSn ND核的團(tuán)聚。第三，在還原氧化石墨烯殼層表面形成穩(wěn)定的SEI層可抑制持續(xù)的不可逆副反應(yīng)發(fā)生以及死鋰在GaSn NDs上的堆積。第四，氧化還原石墨烯殼層具有更低的電荷轉(zhuǎn)移電阻和更穩(wěn)定的傳輸能力，此外，還原氧化石墨烯形成的三維網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)電提供了更高的電子導(dǎo)電性。最后，精心設(shè)計的具有低含碳量的GaSn@rGO NPs復(fù)合電極展現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能，包括高的可逆比容量，杰出的倍率能力和非凡的循環(huán)穩(wěn)定性。結(jié)合原位XRD揭示的新材料GaSn@rGO NP的合金化的鋰化機(jī)理。本研究可能為實現(xiàn)高性能室溫液態(tài)金屬電池提供了前所未有的機(jī)會。

高性能殼核GaSn@rGO液態(tài)納米顆粒陰極室溫液態(tài)金屬電池圖一：a) GaSn@rGO NP正極的制備示意圖。b) GaSn NDs的SEM圖像。c) Ga(綠色)和Sn(紫色)的元素映射。d) GaSn NDs的XRD譜圖。e) GaSn NDs的TEM圖像和高倍率TEM圖像。f) GaSn NDs的代表性亮場STEM圖像和O(紅色)、Ga(黃色)和Sn(青色)的EDX映射。

高性能殼核GaSn@rGO液態(tài)納米顆粒陰極室溫液態(tài)金屬電池圖二：GaSn@rGO NP正極的SEM圖像。(a)內(nèi)插圖為低倍率SEM圖像。b) C(紅色)、O(黃色)、Ga(綠色)和Sn(紫色)的元素映射。c) GaSn@rGO NPs的TEM圖像和高倍TEM圖像以及c(橙色)、O(紅色)、Ga(黃色)和Sn(青色)的EDX映射。d) GO和GaSn@rGO NPs的XRD譜。e) GO和GaSn@rGO NPs的拉曼光譜。f) GO和GaSn@rGO NPs的C 1s XPS譜。

高性能殼核GaSn@rGO液態(tài)納米顆粒陰極室溫液態(tài)金屬電池圖三：掃描速率為0.05 mV s−1時，GaSn@rGO NPs的CV曲線。b) GaSn@rGO NPs的倍率性能(從0.1 C到5 C)。C) GaSn@rGO NPs在不同倍率下的容量與電壓分布圖。d)在5 C倍率下對GaSn@rGO NPs和GaSn NDs進(jìn)行150次循環(huán)穩(wěn)定性測試。e)第1、20和50個循環(huán)后對GaSn@rGO NPs進(jìn)行EIS測試。f)第1、20和50個周期后對GaSn NDs進(jìn)行EIS測試。g) 150次循環(huán)后對GaSn@rGO NPs進(jìn)行SEM分析。h) 150次循環(huán)后GaSn NDs的死后掃描電鏡分析。i)循環(huán)后GaSn NDs和GaSn@rGO NPs正極的c1 s譜。j)循環(huán)后GaSn NDs和GaSn@rGO NPs正極的f1 s譜。

高性能殼核GaSn@rGO液態(tài)納米顆粒陰極室溫液態(tài)金屬電池圖四：GaSn@rGO NPs的原位XRD結(jié)果以及放電曲線。b)放電過程中Li-Ga合金轉(zhuǎn)變的原位XRD圖(0.8 V ~ 0.05 V)。c)放電過程中Li-Sn合金轉(zhuǎn)變的原位XRD圖(0.53 V ~ 0.05 V)。d) Li5Sn2晶體結(jié)構(gòu)。e) Li13Sn5的晶體結(jié)構(gòu)。