锂金属电池是一款极具前景的高能量密度电池，其理论比容量高达3860 mAh/g，近10倍于锂离子电池。然而，锂金属电池存在一个致命缺陷，那就是在充放电过程中会产生大量枝晶，从而刺穿隔膜会引起电池短路，导致性能衰退甚至燃烧爆炸，因此亟需研究抑制锂枝晶生长的方法。
由伊利诺伊大学芝加哥分校Reza Shahbazian-Yassar教授课题组牵头的联合研究团队制备了新颖的二维石墨烯氧化物纳米片薄膜，作为保护层涂覆在玻璃纤维隔膜上，有效地抑制了锂枝晶的形成，从而显著地增强电池性能和循环寿命。研究人员通过喷雾热解方法将二维石墨烯纳米片（GOn）涂覆在玻璃纤维隔膜（GF）上，随后通过真空干燥处理，形成GOn修饰复合隔膜GOn-GF。扫描电镜表征显示，GOn均匀地嵌入到玻璃纤维GF的空隙中，从而有效地避免了GOn的堆叠和脱落，形成致密的二维涂层薄膜覆盖在GF表面，有助于锂离子快速传输。随后研究人员将制备的GF、GOn-GF隔膜应用于锂金属电池，并开展电化学性能测试进行对比研究。测试结果显示，在2 mA cm−2充放电电流密度下，采用无GOn修饰的GF隔膜电池经过80次循环后，电池容量就衰减了20%，但而当进一步增加循环次数到115次后，电池容量大幅衰减至初始状态的20%，库伦效率为80%；相反，采用GOn-GF隔膜的电池在经过160次循环后，电池容量仍可维持初始状态的83%以上，库伦效率接近100%，展现出更加优异的电池性能和循环稳定性。通过电化学阻抗谱测试发现，无GOn修饰的GF隔膜电池内部的界面传输电阻高达170 Ω，且循环后电池阻抗增加到了250 Ω，这主要是由于锂枝晶形成诱导高阻抗的固态电解质膜所致；相反，采用GOn-GF隔膜的电池内部界面传输电阻仅为70 Ω，且不会随着循环增大。研究人员指出，GOn-GF隔膜的电池性能提升主要得益于两方面改善，一是GOn-GF隔膜中二维石墨烯纳米片为锂离子提供了快速的传输通道增强电池充放电性能，二是有效地抑制了锂枝晶的形成增强了电池循环寿命。更为关键地是，该GOn涂层薄膜制备工艺简单、易于规模化且成本较低。
该项研究针对锂金属隔膜设计合成了新型的二维石墨烯氧化物纳米片保护涂层，增强锂离子的传输、抑制了锂枝晶的形成，增强了电池性能和循环寿命。为设计和开发高性能的锂金属电池提供了新的路径。相关研究工作发表在《Advanced Functional Materials》 。
（郭楷模）
