Water‐Stable Lithium Metal Anodes with Ultrahigh‐Rate Capability Enabled by a Hydrophobic Graphene Architecture

阳极 材料科学 石墨烯 集电器 电解质 曲折 化学工程 锂(药物) 复合数 金属 纳米技术 复合材料 电极 冶金 多孔性 物理化学 化学 内分泌学 工程类 医学
作者
Lei Dong,Lu Nie,Wei Liu
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:32 (14) 被引量:91
标识
DOI:10.1002/adma.201908494
摘要

Implementing the utilization of lithium metal in actual processing and application conditions is essential for next-generation high-energy batteries at a practical level. However, the air/water instability of the high-reactive Li metal remains unsolved. Here, a water-stable Li metal anode with ultrahigh-rate capability enabled by a rationally designed architecture is reported. A hydrophobic graphene framework, consists of an array of vertically aligned sheets and a roof of sloping-aligned sheets, is utilized to fully host lithium metal. As a result, it is first demonstrated that the composite Li metal anode can run stably even after it directly contacts with water. In addition, both the arrays and the roof in the framework are directional graphene microsheets that can provide fast charge transport kinetics in the anode without tortuosity. Therefore, the anode can operate at an extremely high current density of 50 mA cm-2 with long-term cycling stability. Importantly, the composite Li anodes in Li||LiFePO4 and Li||NCM-811 cells also show much improved performances than Li metal foil under crucial conditions of lean electrolyte and low negative/positive capacity ratio. This design provides a significant stride in the safety toward the practicability of low air/water tolerance materials.
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