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【引言】
鋰作為最輕的金屬，具有遠高于商用石墨負極的大理論比容量(3860mAh g-1)。金屬鋰上Li+/Li氧化還原對供給了最低的電勢(-3.04V vs. SHE)，然后所得金屬充電機充電鋰電池簡單完成高作業電壓。但是，金屬鋰負極在循環中發生風險的鋰枝晶，一方面鋰枝晶導致短路引發安全事故，另一方面，鋰枝晶增加了金屬鋰和電解液的觸摸面積，構成“死鋰”，下降庫倫功率、增加極化、減縮循環壽數。這些問題都約束了金屬充電機充電鋰電池的實踐運用。
選用固態/凝膠聚合物電解質、調控金屬鋰外表空間電荷、引進三維納米骨架能夠按捺金屬鋰的生成。如果能夠從成核角度調控金屬鋰堆積，有望進一步了解金屬鋰循環原理，完成金屬鋰的受控堆積。事實上，枝晶成長問題不只是可充電金屬充電機充電蓄電池范疇特有的。傳統的電鍍工業中，曾廣泛研討過Ni、Co這些金屬涂層的均勻成長與枝晶按捺。當時，納米金剛石共堆積技能現已廣泛運用于工業生產傍邊。金屬離子吸附在納米金剛石的外表，經過在電解槽和電場中的電解質搬運運到電極外表；金屬離子吸收電子，還原成金屬堆積在電極外表。因此，經過抓獲少數納米金剛石粒子，就能夠調控固體電解質界面膜外表的納米粒子潤飾堆積狀況，以望調控金屬鋰的形核，按捺金屬鋰枝晶的成長。
【成果簡介】
近來，來自清華大學的張強教授（通訊作者）研討團隊、德雷塞爾大學的Yury Gogotsi教授（通訊作者）研討團隊以及華中科技大學江建軍教授研討團隊在Nature Communications上宣布題為”Nanodiamonds suppress the growth of lithium dendrites”的文章。該文章報導了一種受電鍍工業所啟示的共堆積辦法，運用納米金剛石作為增加劑，增加進入經典鋰離子充電機充電蓄電池電解液（LiPF6作為溶質、EC/DEC作為溶劑）中，以此按捺鋰枝晶的成長。經過建立與電解槽類似的兩電極系統（銅箔作為正極鋰箔作為負極），ODA官能團潤飾的納米金剛石粒子參加并分散在酯基電解質傍邊，鋰離子與金納米金剛石共堆積在基底上，發生了均勻無枝晶的鋰堆積，得到了安穩的電化學循環功能。
【圖文導讀】

圖一：納米金剛石增加在電解質中的性質和鋰離子電堆積中的運用。
(a) 電解槽示意圖；
(b) 納米金剛石增加劑按捺鋰枝晶的成長；
(c) 納米金剛石粒子的TEM圖。
(d) 增加了納米金剛石的LiPF6-EC/DEC電解液圖畫前后比照；
(e) LiPF6-EC/DEC電解液中納米金剛石聚會物的孔徑分布；
(f) 吸收了鋰離子的納米金剛石粒子。
圖二：直流電鍍后鋰堆積的描摹。
沒有增加(a)和有增加(f)納米金剛石的圖形描繪；
(b)-(e) 沒有增加劑的LiPF6-EC/DEC電解質中的鋰堆積的SEM圖；
(g)-(j) 有增加劑的LiPF6-EC/DEC電解質中的鋰堆積的SEM圖；
圖三：榜首性原理核算描繪鋰離子在納米金剛石外表的堆積行為。
(a) 納米金剛石和銅的低指數切面外表能；
(b) 鋰在納米金剛石外表(110)和銅外表(111)的不同電荷密度；
(c) 鋰在不同外表的分散壁壘；
(d) 鋰在納米金剛石(110)外表的最安穩的吸收位點和分散途徑。
圖四：長期循環的電化學安穩性。
對稱Li|Li充電機充電蓄電池在(a)1mA cm-2和(b)2 mA cm-2的充放電曲線；
(c) 電壓-時間曲線核算Li|Cu充電機充電蓄電池的平均庫倫功率；
(d) 圖c中5-15h的擴大圖；
0.5mA cm-2電流密度下有增加劑(e)和無增加劑(f)的鋰堆積描摹。
圖五：鋰離子和納米金剛石的共堆積。
當在電解液中增加少數納米金剛石顆粒時，這些粒子能夠在電場和流體的傳送效果下抵達負極外表，并均勻分布，成為鋰離子的形核點。納米金剛石與鋰離子具有強吸附效果，這些均勻分布的納米金剛石形核點將會吸附鋰離子在這些點的堆積。因為鋰離子在納米金剛石外表的分散勢壘很小，鋰離子傾向于在納米金剛石外表均勻堆積。
【總結與展望】
提出了一種納米金剛石輔佐的按捺金屬充電機充電鋰電池中鋰枝晶成長的辦法。在金屬鋰構成過程中，納米金剛石粒子作為異相成核種子并吸收鋰離子。因為鋰離子在納米金剛石外表的低能量分散壁壘，吸收的鋰離子發生了均勻的鋰堆積。納米金剛石潤飾的電解液供給了安穩的循環壽數，在Li|Li充電機充電蓄電池中，1mA cm-2電流密度下循環200h，2mA cm-2電流密度下循環150h，在Li|Cu充電機充電蓄電池中，庫倫功率到達96%（無增加劑電解液中為88%）。
相關研討成果宣布于Nature Communications 2017, 8, 336, DOI: 10.1038/s41467-017-00519-2。該作業在北京市科委、科技部、自然科學基金委、清華大學博士生短期留學基金的贊助下完成。
文獻鏈接：Nanodiamonds suppress the growth of lithium dendrites (Nat. Commun. 2017, 8, 336, doi: 10.1038/s41467-017-00519-2)
本作業的榜首作者為清華大學程新兵博士，通訊作為為清華大學張強及美國德雷塞爾大學Yury Gogosti。
程新兵于2012年本科結業于天津大學化工系，2017年博士結業于清華大學化工系，師從于清華大學張強。2016年其遭到清華大學博士生短期留學基金贊助，赴美國德雷克塞爾Yury Gogotsi教授課題組拜訪。程新兵以榜首作者身份在Chem Rev，Chem，Nat Commun，Adv Mater, Angew Chem, ACS Nano等國際學術期刊上宣布SCI論文21篇, 5篇當選ESI高被引數據庫，1篇當選2014年我國百篇最具影響國際學術論文。程新兵博士曾取得清華大學研討生學術新秀、優異博士論文一等獎等獎賞。
清華大學張強研討團隊致力于動力資料，尤其是金屬鋰、充電機充電蓄電池、電催化方面的研討。在金屬鋰負極范疇內，經過原位手法研討固態電解質面膜，選用納米骨架、人工SEI、外表固態電解質維護調控金屬鋰的堆積行為，按捺鋰枝晶成長，完成金屬鋰的高效安全使用。這些相關研討作業宣布在Small 2014, 10, 4257; ACS Nano 2015, 9, 6373; Adv. Mater. 2016, 28, 2155-2162; Adv. Mater. 2016, 28, 2888-2895; Adv. Sci. 2016, 3, 1500213; Energy Storage Mater. 2016, 3, 77-84; Adv. Funct. Mater. 2017, 27, 1605989; Energy Storage Mater. 2017, 6, 18-25; Chem 2017, 2, 258–270; Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 7764等。近期，該研討團隊在Chem. Rev.進步行了二次充電機充電蓄電池中安全金屬鋰負極評述（Chem. Rev. 2017, 117, 10403）。
美國德雷克塞爾Yury Gogotsi（尤里-高果奇）教授是碳素資料和陶瓷資料技能范疇的國際聞名學者。多年來，Yury Gogotsi教授帶領研討團隊在碳資料范疇展開了深化系統的研討，選用先進辦法取得了新穎的碳納米管、介孔碳、洋蔥碳以及石墨烯等多種碳資料，并探究了它們在鋰離子充電機充電蓄電池、電化學電容器中的運用，取得了一系列重要的研討成果。他在國際上率先將層狀陶瓷（MAX相）剝離為二維資料（MAXene，如二維過渡金屬碳化物或碳氮化物）。近年來，Yury Gogotsi教授承當了美國國防部、動力部以及國家自然科學基金的許多重要科研項目。現在已宣布450余篇學術論文，其間在Science、Nature及其子刊宣布論文超越25篇，Science、Nature及Nature系列、Adv Mater等聞名期刊上宣布論文超越400篇，被引證次數超越21000次，并與人合著2本作品，參加了13本書的編著。其研討成果得到了同行專家的高度評價，先后取得美國、歐洲、我國等多個國家40余項學術獎賞，他曾取得包含“European Carbon Association Award”、“Highly Cited Researcher”在內的多個國際獎項及榮譽，2014年被Thomson Reuters評為“國際最有影響力的科學家”。