【引言】
锂作为最轻的金属，具有远高于商用石墨负极的大理论比容量(3860mAh g-1)。金属锂上Li+/Li氧化还原对供给了最低的电势(-3.04V vs. SHE)，然后所得金属充电机充电锂电池简单完成高作业电压。但是，金属锂负极在循环中发生风险的锂枝晶，一方面锂枝晶导致短路引发安全事故，另一方面，锂枝晶增加了金属锂和电解液的触摸面积，构成“死锂”，下降库伦功率、增加极化、减缩循环寿数。这些问题都约束了金属充电机充电锂电池的实践运用。
选用固态/凝胶聚合物电解质、调控金属锂外表空间电荷、引进三维纳米骨架能够按捺金属锂的生成。如果能够从成核角度调控金属锂堆积，有望进一步了解金属锂循环原理，完成金属锂的受控堆积。事实上，枝晶成长问题不只是可充电金属充电机充电蓄电池范畴特有的。传统的电镀工业中，曾广泛研讨过Ni、Co这些金属涂层的均匀成长与枝晶按捺。当时，纳米金刚石共堆积技能现已广泛运用于工业生产傍边。金属离子吸附在纳米金刚石的外表，经过在电解槽和电场中的电解质搬运运到电极外表；金属离子吸收电子，还原成金属堆积在电极外表。因此，经过抓获少数纳米金刚石粒子，就能够调控固体电解质界面膜外表的纳米粒子润饰堆积状况，以望调控金属锂的形核，按捺金属锂枝晶的成长。
【成果简介】
近来，来自清华大学的张强教授（通讯作者）研讨团队、德雷塞尔大学的Yury Gogotsi教授（通讯作者）研讨团队以及华中科技大学江建军教授研讨团队在Nature Communications上宣布题为”Nanodiamonds suppress the growth of lithium dendrites”的文章。该文章报导了一种受电镀工业所启示的共堆积办法，运用纳米金刚石作为增加剂，增加进入经典锂离子充电机充电蓄电池电解液（LiPF6作为溶质、EC/DEC作为溶剂）中，以此按捺锂枝晶的成长。经过建立与电解槽类似的两电极系统（铜箔作为正极锂箔作为负极），ODA官能团润饰的纳米金刚石粒子参加并分散在酯基电解质傍边，锂离子与金纳米金刚石共堆积在基底上，发生了均匀无枝晶的锂堆积，得到了安稳的电化学循环功能。
【图文导读】

图一：纳米金刚石增加在电解质中的性质和锂离子电堆积中的运用。
(a) 电解槽示意图；
(b) 纳米金刚石增加剂按捺锂枝晶的成长；
(c) 纳米金刚石粒子的TEM图。
(d) 增加了纳米金刚石的LiPF6-EC/DEC电解液图画前后比照；
(e) LiPF6-EC/DEC电解液中纳米金刚石聚会物的孔径分布；
(f) 吸收了锂离子的纳米金刚石粒子。
图二：直流电镀后锂堆积的描摹。
没有增加(a)和有增加(f)纳米金刚石的图形描绘；
(b)-(e) 没有增加剂的LiPF6-EC/DEC电解质中的锂堆积的SEM图；
(g)-(j) 有增加剂的LiPF6-EC/DEC电解质中的锂堆积的SEM图；
图三：榜首性原理核算描绘锂离子在纳米金刚石外表的堆积行为。
(a) 纳米金刚石和铜的低指数切面外表能；
(b) 锂在纳米金刚石外表(110)和铜外表(111)的不同电荷密度；
(c) 锂在不同外表的分散壁垒；
(d) 锂在纳米金刚石(110)外表的最安稳的吸收位点和分散途径。
图四：长期循环的电化学安稳性。
对称Li|Li充电机充电蓄电池在(a)1mA cm-2和(b)2 mA cm-2的充放电曲线；
(c) 电压-时间曲线核算Li|Cu充电机充电蓄电池的平均库伦功率；
(d) 图c中5-15h的扩大图；
0.5mA cm-2电流密度下有增加剂(e)和无增加剂(f)的锂堆积描摹。
图五：锂离子和纳米金刚石的共堆积。
当在电解液中增加少数纳米金刚石颗粒时，这些粒子能够在电场和流体的传送效果下抵达负极外表，并均匀分布，成为锂离子的形核点。纳米金刚石与锂离子具有强吸附效果，这些均匀分布的纳米金刚石形核点将会吸附锂离子在这些点的堆积。因为锂离子在纳米金刚石外表的分散势垒很小，锂离子倾向于在纳米金刚石外表均匀堆积。
【总结与展望】
提出了一种纳米金刚石辅佐的按捺金属充电机充电锂电池中锂枝晶成长的办法。在金属锂构成过程中，纳米金刚石粒子作为异相成核种子并吸收锂离子。因为锂离子在纳米金刚石外表的低能量分散壁垒，吸收的锂离子发生了均匀的锂堆积。纳米金刚石润饰的电解液供给了安稳的循环寿数，在Li|Li充电机充电蓄电池中，1mA cm-2电流密度下循环200h，2mA cm-2电流密度下循环150h，在Li|Cu充电机充电蓄电池中，库伦功率到达96%（无增加剂电解液中为88%）。
相关研讨成果宣布于Nature Communications 2017, 8, 336, DOI: 10.1038/s41467-017-00519-2。该作业在北京市科委、科技部、自然科学基金委、清华大学博士生短期留学基金的赞助下完成。
文献链接：Nanodiamonds suppress the growth of lithium dendrites (Nat. Commun. 2017, 8, 336, doi: 10.1038/s41467-017-00519-2)
本作业的榜首作者为清华大学程新兵博士，通讯作为为清华大学张强及美国德雷塞尔大学Yury Gogosti。
程新兵于2012年本科结业于天津大学化工系，2017年博士结业于清华大学化工系，师从于清华大学张强。2016年其遭到清华大学博士生短期留学基金赞助，赴美国德雷克塞尔Yury Gogotsi教授课题组拜访。程新兵以榜首作者身份在Chem Rev，Chem，Nat Commun，Adv Mater, Angew Chem, ACS Nano等国际学术期刊上宣布SCI论文21篇, 5篇当选ESI高被引数据库，1篇当选2014年我国百篇最具影响国际学术论文。程新兵博士曾取得清华大学研讨生学术新秀、优异博士论文一等奖等奖赏。
清华大学张强研讨团队致力于动力资料，尤其是金属锂、充电机充电蓄电池、电催化方面的研讨。在金属锂负极范畴内，经过原位手法研讨固态电解质面膜，选用纳米骨架、人工SEI、外表固态电解质维护调控金属锂的堆积行为，按捺锂枝晶成长，完成金属锂的高效安全使用。这些相关研讨作业宣布在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，该研讨团队在Chem. Rev.进步行了二次充电机充电蓄电池中安全金属锂负极评述（Chem. Rev. 2017, 117, 10403）。
美国德雷克塞尔Yury Gogotsi（尤里-高果奇）教授是碳素资料和陶瓷资料技能范畴的国际闻名学者。多年来，Yury Gogotsi教授带领研讨团队在碳资料范畴展开了深化系统的研讨，选用先进办法取得了新颖的碳纳米管、介孔碳、洋葱碳以及石墨烯等多种碳资料，并探究了它们在锂离子充电机充电蓄电池、电化学电容器中的运用，取得了一系列重要的研讨成果。他在国际上率先将层状陶瓷（MAX相）剥离为二维资料（MAXene，如二维过渡金属碳化物或碳氮化物）。近年来，Yury Gogotsi教授承当了美国国防部、动力部以及国家自然科学基金的许多重要科研项目。现在已宣布450余篇学术论文，其间在Science、Nature及其子刊宣布论文超越25篇，Science、Nature及Nature系列、Adv Mater等闻名期刊上宣布论文超越400篇，被引证次数超越21000次，并与人合著2本作品，参加了13本书的编著。其研讨成果得到了同行专家的高度评价，先后取得美国、欧洲、我国等多个国家40余项学术奖赏，他曾取得包含“European Carbon Association Award”、“Highly Cited Researcher”在内的多个国际奖项及荣誉，2014年被Thomson Reuters评为“国际最有影响力的科学家”。