1. LixM /石墨烯材料微觀結構及制備工藝
近年來，新能源汽車市場的異軍突起迫切要求人們研發出兼具高能量密度和長使用壽命的動力電池，這主要是因為：傳統鋰離子電池(以石墨作負極，理論容量370 mAh/g)已不能滿足上述能源需求。
針對該棘手難題，具有較高能量密度的金屬合金電極(如Si、Sn、Al合金電極)被廣泛研究，但上述高容量合金電極作負極、鋰鹽(磷酸鐵鋰等，容量<200 mAh/g)為正極材料時，較低的電池容量大大削弱了其應用前景。
此外，擁有較高比容量的鋰金屬(3860 mAh/g)作為電池負極時，使用過程的鋰枝晶問題、體積膨脹、高反應活性(極易于水氣、空氣、電解液反應)成為了鋰金屬負極的詬病。基于此，整合上述合金電極與鋰金屬以制備鋰合金電極(LixM，其中M=Si、Sn或Al)，將有望提高電池的容量和使用壽命。
再者，將上述鋰合金電極(LixM)包覆于提高其在空氣中穩定性能的材料之中的舉措，不僅能夠獲得高電化學性能的動力電池，也能夠降低材料的生產成本，可謂一舉兩得。
近日，斯坦福大學崔屹教授(通訊作者)團隊在Nature Nanotechnology上發表了題目為“Air-stable and freestanding lithium alloy/graphene foil as an alternative to lithium metal anodes”的研究成果。
研究人員首先將制備的鋰合金(LixM)納米顆粒包覆于具有優異疏水性能、低氣體滲透性能的石墨烯(<10層)材料之中，隨后將鋰合金/石墨烯負極材料分別應用于以LiFePO4、V2O5、S為正極材料的鋰電池中，并以鋰金屬負極、石墨烯負極做為參照實驗，高電流密度充放電使用情況下，測試了電池的電化學性能，并對負極材料進行了SEM、TEM、XPS、柔韌性和強度、疏水性表征。
結果表明：鋰合金/石墨烯作為負極的電池，高電流密度下充放電循環400次后，電池依然能夠保持初始容量的98%，這主要是因為：
(1)LixM合金材料能夠有效應對嵌鋰-脫鋰過程所帶來的體積膨脹變化；
(2)包覆的石墨烯材料具有較好的疏水性能、較低的氣體滲透性能，提高了負極的穩定性(防止與空氣、水、電解液的反應)；
(3)對鋰硫電池而言，包覆的石墨烯材料抑制了多硫化合物與負極的反應，降低了正極硫活性物質的損耗，得以保持電池的容量。
a)左圖：LixM/石墨烯材料結構(注：M= Si、Sn或Al，圖中緊湊的LixM納米顆粒包覆于石墨烯片層中，該材料具有良好的化學穩定性(優良的疏水性、較低的氣體滲透性)；右圖：材料的柔韌性及可批量生產性；
b)LixM/石墨烯材料制備工藝：手套箱中溶解鋰金屬，加入適當化學計量比的M金屬顆粒攪拌獲得LixM顆粒，之后加入粘結劑苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)和石墨烯形成漿料，并涂覆于基板聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)上，剝落后獲得柔韌性良好、空氣中穩定的LixM/石墨烯電極材料。
2. LixSi/石墨烯材料性能表征
a)批量制備的LixSi/石墨烯材料照片(圖中比例尺5 cm)；
b)低倍鏡下LixSi/石墨烯材料TEM圖(圖中比例尺 1um)；
c)高倍鏡下LixSi/石墨烯材料中石墨烯邊緣層圖片(圖中比例尺 5nm)；
d)石墨烯、松厚紙、鋰箔和LixSi/石墨烯四種材料的單軸拉伸測試曲線(旨在獲得材料的機械強度和柔韌性)；
e)LixSi/石墨烯材料的XRD圖譜；
f)和g) LixSi/石墨烯材料的SEM俯視圖和橫截面圖(圖中比例尺分別為2、20um)。
3. LixSi/石墨烯材料的穩定性
a)石墨烯(包覆材料)、SBS(粘結劑)的疏水性測試；
b)上圖：LixSi/石墨烯材料化學穩定性圖示(不易于空氣中的H2O、CO2、O2反應)；下圖：包覆在石墨烯片層中間的LixSi顆粒SEM圖(圖中比例尺1 um)；
c) 鋰箔負極片、LixSi/石墨烯負極片在空氣中的化學穩定性實驗對比照片；
d) LixSi/石墨烯負極片耐溫性能的考察(圖中黑色、紅色曲線分別為室溫下、烘干(800C和6h)后電池材料的電壓-容量曲線)；
e) LixSi/石墨烯負極片耐干燥室氣氛(干燥室的露點溫度為-50 0C)性能的考察(圖中黑色、紅色曲線分別為電極材料未暴露、暴露于干燥室氣氛2周后電池材料的電壓-容量曲線)；
f) LixSi/石墨烯負極片耐空氣中H2O性能的考察(圖中黑色、紅色曲線分別為未暴露于空氣、暴露于空氣中(相對濕度20～60%，時間3天)后電池材料的電壓-容量曲線)；
4. 電池的電化學性能測試和LixSi/石墨烯材料嵌鋰-脫鋰圖示
a)厚度分別為19um、42um 的LixSi/石墨烯負極半電池第一次放電(脫鋰過程)過程中的材料電壓-容量曲線；
b)石墨烯負極半電池、LixSi/石墨烯負極半電池在不同電流密度下循環400次后的電學性能；
c)LixSi/石墨烯材料嵌鋰-脫鋰圖示(右側SEM圖中比例尺2um)；和e)LixSi/石墨烯- LiFePO4電池(全電池)與Li - LiFePO4電池(半)的充放電性能曲線對比；
5. LixSi/石墨烯-硫電池與鋰-硫電池的電化學性能對比
a)電池正極碳材料包覆活性物質硫的SEM圖(圖中比例尺為5um)；
b)電池正極碳材料包覆活性物質硫的TEM圖，插圖為放大的碳材料邊緣晶格(兩圖中的比例尺分別為200nm和10nm)；
c)LixSi/石墨烯- 硫電池與鋰-硫電池的電學性能對比；
d)兩種體系電池充放電50次后， LixSi/石墨烯負極片與鋰負極片的XPS表征(上邊兩圖為鋰負極材料結果、下邊兩圖為LixSi/石墨烯結果)；
【小結】
通過將LixM(M= Si、Sn或Al)包覆于石墨烯片層中，獲得了LixM/石墨烯電極。較之于前人研究的金屬合金-鋰鹽、金屬合金-五氧化二釩電池，該電池體系提高了電池的能量密度，循環性能優異(循環400次后，電池容量依然是初始容量的98%)，延長了電池的使用壽命；較之于鋰-硫電池體系，該電池體系能夠有效抑制多硫化合物與負極的反應，降低了多硫化合物的穿梭效應，提高了電池的容量。
尚需進一步提高該材料在空氣中的穩定性，接下來可在LixM/石墨烯材料上沉積氧原子或氟原子層，提高材料的穩定性和操作簡單性，以便高效地、經濟地、環境友好地使用動力電池。
