受制于枝晶生長和結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性的現(xiàn)狀(由此導(dǎo)致低庫倫效率、較差的循環(huán)壽命以及嚴(yán)重的安全性問題)，使得Li金屬負(fù)極的研究一度蟄伏。然而時隔多年，受Li金屬負(fù)極高容量和能量密度的驅(qū)動，人們又將目光聚集在其研究上。

近些年，在Li金屬負(fù)極的研究方法和設(shè)計策略上也不斷推陳出新，諸如：改性Li箔、電沉積Li金屬、特異性電解質(zhì)、保護(hù)性隔離層緩沖枝晶生長、包覆性Li金屬負(fù)極等等。然而受限于測試條件，并不能合理地對電池性能進(jìn)行評估。此外，還有以三維(3D)多空框架作為Li金屬的主體結(jié)構(gòu)，可以有效降低枝晶的形成，但如此一來電極的質(zhì)量和體積容量也降低了。

成果簡介

一個理想的Li枝晶抑制框架須具有高比表面積，低密度，均勻的Li沉積導(dǎo)電表面以及非曲折離子遷移路徑。鑒于此，美國萊斯大學(xué)James M. Tour教授課題組報道了一種無縫銜接石墨烯-碳納米管(GCNT)電極，不僅能夠可逆地存儲Li并完全抑制枝晶的形成，而且材料密度較低(~0.05mg/cm^3)。

圖1. GCNT的生長示意圖和結(jié)構(gòu)特征。(a)GCNT生長示意圖，電子束沉積1nm鐵納米顆粒是不連續(xù)的，并且它們用作CNT生長的催化劑，而3nm的氧化鋁層為垂直尖端生長提供支撐。(b-d) GCNT的SEM圖像，顯示從石墨烯覆蓋的Cu基底垂直生長的CNT地毯。

電化學(xué)性能測試表明，GCNT-Li電極具有3351mAh/g的超高容量(接近于純Li金屬3861mAh/g)，同時擁有高達(dá)4mAh/cm^2面積容量以及優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性?；贕CNT-Li/硫化碳(SC)的全電池測試也表現(xiàn)出高能量密度(全電極達(dá)752Wh/kg，全電極質(zhì)量=GCNT-Li+SC+粘結(jié)劑)、高面積容量(2mAh/cm^2)和卓越的循環(huán)穩(wěn)定性(500次循環(huán)后容量保持率達(dá)80%)。

圖2 GCNT負(fù)極的Li儲存和倍率性能。(a) GCNT的鋰儲存容量為0.4至4mAh/cm^2。(b)以面積容量與周期表示的不同面積容量負(fù)極(1至4 mAh/cm^2)的循環(huán)穩(wěn)定性。(c) 完全鋰化狀態(tài)下相對于GCNT-Li負(fù)極(具有不同面積容量)的重量比與其它負(fù)極材料的比較。GCNT-Li的面積容量從0.4到4mAh/cm^2, 分別對應(yīng)于GCNT-Li-0.4到GCNT-Li-4。

機(jī)制解釋

首先，GCNT具有較低的質(zhì)量貢獻(xiàn)率、厚度和較大的比表面積，使得Li能夠進(jìn)入GCNT的深層，從而提高體積的利用率，這也是GCNT-Li具有高面積容量的基礎(chǔ)；

其次，GCNT中的CNT束上存儲大量均勻分布的薄層Li金屬，根據(jù)“自種子機(jī)理(self-seeded mechanism )”，能夠很好的抑制在鋰沉積和剝離期間枝晶的形成；

最后，CNT較高的電導(dǎo)率以及與石墨烯的無縫銜接(有效降低了界面電阻)，大幅改善了整個電極的電子導(dǎo)電性，以促進(jìn)整個電極的電流均勻分布，從而使得Li沉積過程均勻地進(jìn)行。