随着可持续能源存储系统的快速发展，对高能量密度电池的需求日益增长，特别是在电动汽车和消费电子产品领域。锂金属因其极低的氧化还原电位（-3.04 V vs. 标准氢电极）和高理论容量（3860 mAh g−1）而被视为下一代高能量电池最有前途的负极材料之一。然而，锂金属负极（LMA）的商业应用仍面临一些挑战，包括锂的不均匀沉积、高反应活性以及“无宿主”特性，这些问题相互交织，导致效率下降甚至严重的安全故障。

为了解决这些问题，研究者们开发了多种策略，如构建三维骨架为锂金属提供机械稳定的宿主，减轻其体积变化，降低局部电流密度分布，实现锂金属的均匀沉积；以及制造人工SEI膜，通过合理的组分配比帮助阻止锂金属与电解液的直接接触，抑制锂金属的腐蚀。其中，利用三维导电基底，尤其是碳质支架如碳布，因其稳定的物理化学性质、可调节的表面结构和高灵活性而受到关注。然而，碳基材料通常对锂不友好，对锂的亲和力差，不利于锂的初始成核和随后的生长。因此，提高基于碳的基质的亲锂性是非常需要的。

文章简介

浙江工业大学贺馨平 副研究员、浙江大学 夏新辉 研究员、浙江大学涂江平教授 等在《Small》期刊发表名为“Ultrafast-Loaded Nickel Sulfide on Vertical Graphene Enabled by Joule Heating for Enhanced Lithium Metal Batteries”的论文。在这项工作中，研究团队报道了一种新的亲锂骨架，通过一种简便的超快焦耳加热（UJH）方法在垂直石墨烯（VG）上种植金属硫化物（例如Ni3S2），这有助于在碳布（CC）支持的VG基底上实现亲锂位点的均匀分布和牢固结合。通过系统的电化学表征，耦合CC/VG@Ni3S2的对称电池在1 mA cm−2和1 mAh cm−2的条件下，实现了14 mV过电位下1800小时（900个循环）的稳定长期循环。同时，设计的CC/VG@Ni3S2-Li||LFP全电池显示出显著的电化学性能，在0.5 C下500个循环后容量保持率为92.44%，并具有出色的倍率性能。这种在分层碳基材料上合成金属硫化物的新颖合成策略为高性能锂金属电池（LMBs）的发展提供了新的视角。

图文导读

图1展示了CC/VG@Ni3S2的制备过程，包括通过射频等离子体增强化学气相沉积（PECVD）在碳纤布（CC）上生长交叉连接的VG纳米片。拉曼测试证实了VG在CC上成功引入。VG纳米片垂直排列在CC基底上，具有多孔特性，BET测试验证了VG增加的比表面积。Ni3S2颗粒通过UJH进一步锚定在CC/VG基底上，形成了均匀分布的5-30 nm大小的颗粒。

图2对比了不同基底上锂沉积的形貌，包括裸CC-Li、CC@Ni3S2-Li、CC/VG-Li和CC/VG@Ni3S2-Li。SEM图像显示，在CC/VG@Ni3S2基底上，锂金属与Ni3S2颗粒反应，实现了无枝晶的均匀沉积。

图3通过XPS分析了经过十个循环后的SEI膜成分，揭示了由Ni3S2参与形成的SEI组分，这些无机成分增强了电荷转移动力学并提高了化学稳定性。

图4展示了CC/VG@Ni3S2-Li电极在全电池中的电化学性能，包括与LFP正极配对的充放电性能、循环稳定性和倍率性能。

总结展望

本研究成功地通过UJH方法在碳基材料上合成了金属硫化物（MxSy），实现了超细MxSy纳米颗粒在CC/VG基底上的均匀分布，并保留了高导电性的石墨烯结构。COMSOL Multiphysics模拟验证了均匀分布的Ni3S2种子能够调节锂的沉积并减轻枝晶生长。得益于Ni3S2亲锂位点和分层CC/VG框架的协同效应，所制备的复合负极显示出提高的库仑效率、延长的循环寿命和增强的倍率能力。此外，与LFP正极配对的全电池也展现出高的放电容量（155.6 mAh g−1）和良好的容量保持率（92.44%）。本工作为在碳基材料上合成金属硫化物提供了一种有价值的策略，并为高能量电池的高性能锂负极提供了应用前景。

文章链接

Xinyi Shan; Jiaqi Zhu; Zhong Qiu; Ping Liu; Yu Zhong; Xueer Xu; Xinping He; Yongqi Zhang; Jiangping Tu; Yang Xia; Chen Wang; Wangjun Wan; Minghua Chen; Xinqi Liang; Xinhui Xia; Wenkui Zhang. Ultrafast‐Loaded Nickel Sulfide on Vertical Graphene Enabled by Joule Heating for Enhanced Lithium Metal Batteries. Small : nano micro., 2024. DOI: 10.1002/smll.202401491

信息来源：高温热冲击焦耳热超快合成

氧化石墨烯：

氧化石墨烯(graphene oxide )是石墨烯的氧化物，一般用GO表示，其颜色为棕黄色，市面上常见的产品有粉末状、片状以及溶液状的。因经氧化后，其上含氧官能团增多而使性质较石墨烯更加活泼，可经由各种与含氧官能团的反应而改善本身性质。

氧化石墨烯薄片是石墨粉末经化学氧化及剥离后的产物，氧化石墨烯是单一的原子层，可以随时在横向尺寸上扩展到数十微米。因此，其结构跨越了一般化学和材料科学的典型尺度。氧化石墨烯可视为一种非传统型态的软性材料，具有聚合物、胶体、薄膜，以及两性分子的特性。氧化石墨烯长久以来被视为亲水性物质，因为其在水中具有优越的分散性，但是，相关实验结果显示，氧化石墨烯实际上具有两亲性，从石墨烯薄片边缘到中央呈现亲水至疏水的性质分布。因此，氧化石墨烯可如同界面活性剂一般存在界面，并降低界面间的能量。其亲水性被广泛认知。