刚刚获批的福耀科技大学已经在AM上发文章了！

高能量密度和高功率密度的锂离子电池（ LIB ）是商用电动汽车和便携式电子设备的支柱。然而，受限于石墨负极较低的理论容量，商业化 LIB 在先进高性能电子设备所需的高能量密度方面面临挑战。近年来，锂金属负极因其超高的理论容量而备受关注，但其中非活性固体电解质界面（ SEI ）和锂枝晶的形成两个问题仍未解决。

使用液态金属作为电极的液态金属电池 (LMB) 受益于液态的可变形性，从根本上避免了枝晶问题，同时与固态电极相比保持了更好的界面接触。镓基液态金属 (Ga-based LM) 在室温下为液态，有效地缓解了高温 LMB 面临的挑战，包括高腐蚀性、高能耗和运输困难。因此， Ga 基 LM 作为 LIBs 的阳极受到越来越多的关注。块状 Ga 基 LM 由于表面能高而导致润湿性差，而将 LM 块体转化为液态金属颗粒 (LMP) 可以很大程度上避免这一问题。虽然 LMP 表面的氧化膜保持稳定，但 LMP 在电化学反应过程中的聚集和体积膨胀仍未解决。将 LMP 与其他材料复合有望解决上述问题，之前的研究制备过程相对复杂，涉及多个步骤或复杂的方法。因此，迫切需要开发一种简单有效的策略来制备高性能 LMBs 阳极复合材料，揭示其在电化学反应过程中的实时形貌和相态演变，以促进其商业化应用。

福耀科技大学蒋建中教授、燕山大学黄建宇教授等研究人员 采用简单的方法在室温下合成了一系列具有分级结构的还原氧化石墨烯包覆共晶镓铟（ RGO@EGaIn ）复合材料。氧化石墨烯（ GO ）通过静电吸附在 LMPs 表面形成核壳结构，随后 GO 被还原为 RGO 。随着初始 GO 含量的增加，过量的 RGO 在 LMPs 之间形成相互连通的三维网络结构，最终形成具有分级结构的复合材料。分级结构复合材料具有五个主要特点： 1 ）分级结构中的 RGO 提高了复合材料的电导率，有利于电化学反应过程中离子和电子的快速迁移。 2 ）三维分级网络结构减少了电化学反应过程中 Li ⁺ 的传输距离，增加了电极 - 电解质连接界面，有效提高了 LIBs 的电化学性能。 3) 在锂化 / 脱锂过程中，具有固有柔性的 RGO 壳可以抑制体积膨胀并适应核壳结构 LMP 的不规则变形，避免循环测试期间 RGO 壳和固体电解质界面 (SEI) 膜的破裂。 4) RGO 的层间网络结构可以作为缓冲和保护层，进一步抑制 LMP 的体积膨胀。 5) 具有固有柔性的 RGO 壳和层间 RGO 增强了电极的稳定性。因此，将制备的 RGO@EGaIn LMPs 负极与商用 LiFePO ₄ (LFP) 正极相结合，可实现具有出色循环稳定性的全电池。使用原位透射电子显微镜 (TEM) 纳米电池实验检查了电化学反应过程中 LMP 的实时形貌和相变，揭示了 Ga 和 In 的实时相变过程，即 Ga ↔ Li ₂ Ga ₇ ↔ LiGa ↔ Li ₂ Ga 和 In ↔ LiIn ₃ ↔ LiIn ₂ ↔ Li ₂ In 。 RGO 壳和中间层 RGO 有效地抑制和适应了相变过程中 LMP 核的体积变化，使 LMP 在完成一次充电 / 放电循环后恢复到原始状态。

相关研究成果2025年2月24日以“ Hierarchical-Structured RGO@EGaIn Composites as Advanced Self-Healing Anode for Room-Temperature Liquid Metal Battery ”为题发表在 Advanced Materials 上。

创新的自组装策略合成 RGO@EGaIn 复合材料 ：采用简便的自组装策略，在室温下合成了具有分层结构的还原氧化石墨烯包覆共晶镓铟液态金属颗粒（ RGO@EGaIn LMPs ）。

显著提升的电化学性能 ： RGO@EGaIn 复合材料作为锂离子电池阳极，展现出优异的倍率性能和循环稳定性。在 0.1 A g ^-1 电流密度下，经过 100 次循环后， RGO@EGaIn-F-5 和 RGO@EGaIn-V-4 阳极的容量保持率分别达到 85.5% 和 95.0% ；在 3.0 A g ^-1 高电流密度下，经过 1000 次循环后，容量保持率分别为 90.4% 和 95.2% 。

揭示了 RGO@EGaIn 复合材料的自愈合特性 ：通过原位透射电子显微镜（ TEM ）观察，发现 RGO@EGaIn 复合材料在充放电过程中具有自愈合能力。其体积膨胀从约 160% 显著降低到 125% ，且在完全放电后， LMPs 能够恢复到初始状态。

深入的电化学反应机制研究 ：利用原位 TEM 和电化学测试等手段，详细研究了 RGO@EGaIn 复合材料在电化学反应过程中的形态和相变。揭示了 Ga 和 In 在充放电过程中的可逆相变，以及 RGO 壳层和中间层 RGO 在缓冲 LMPs 体积膨胀和维持电极稳定性方面的作用。

图 1. 示意图 a ）分层 RGO@EGaIn LMNPs 的制造过程和 b ）酸性溶液中 GO 在 EGaIn LMNPs 表面的自组装和部分还原

图 2.a 、 b) TEM 图像、 c) HRTEM 图像、 d) SAED 图案和 e) RGO@EGaIn-V-4 样品的 EDX 映射。 f 、 g) TEM 图像、 h) HRTEM 图像、 i) SAED 图案和 j) RGO@EGaIn-F-5 样品的 EDX 映射

图 3.a) RGO@EGaIn 复合材料的 XRD 图案。 b) RGO@EGaIn-V-4 、 RGO@EGaIn-F-5 和 GO 的拉曼光谱。 c) RGO@EGaIn-V-5 和 RGO@EGaIn-F-5 的 TG 曲线。 d) Ga 2p 、 e) In 和 f) C 1s 的高分辨率 XPS 光谱

图 4.a) RGO@EGaIn-F 阳极的倍率性能和 c) 循环稳定性。 b) RGO@EGaIn-V 阳极的倍率性能和 d) 循环稳定性。 e) RGO@EGaIn-F-5 阳极的 CV 曲线和 h) EIS 测试。 f) RGO@EGaIn-V-4 阳极的 CV 曲线和 i) EIS 测试。 g)RGO@EGaIn-F-5 和 RGO@EGaIn-V-4 阳极在 3 A g ^-1 下的循环稳定性

图 5.a) 不同扫描速率下的 CV 曲线， b) b 值， c) 1 mV s ^-1 时的伪电容贡献，和 g) RGO@EGaIn-F-5 阳极在不同扫描速率下的伪电容贡献。 d) 不同扫描速率下的 CV 曲线， e) b 值， f) 1 mV s ^-1 时的伪电容贡献，和 h) RGO@EGaIn-V-4 阳极在不同扫描速率下的伪电容贡献

图 6. 延时 TEM 图像显示了 RGO@EGaIn-V-4 LMP 在锂金属电极上的扭曲形态演变和自修复过程， a–d) -0.5 V 下的锂化过程（形态扭曲）， e–h) 1.0 V 下的脱锂过程（自修复过程）。 (i-viii) 对应于 RGO@EGaIn-V-4 LMP 的 SAED 分别显示在 (a–h) 中。 (ah) 中的圆圈标记了拍摄 SAED 的位置

图 7.a) LFP‖RGO@EGaIn-V-4 全电池充电过程中阳极反应示意图。 b) RGO@EGaIn-V-4 阳极和 LFP 阴极以及 c) LFP 阴极和 LFP‖RGO@EGaIn-V-4 全电池在 1 C （ 1 C = 170 mA g ^-1 ）下的 GCD 曲线。 d) LiFePO ₄ 和 LFP‖RGO@EGaIn-V-4 全电池在 1 C 下的循环性能