理工大學教授胡勁團隊報道了一種通過簡單的涂層策略，制備由還原氧化石墨烯(rGO)封裝液態金屬納米液滴的新型核-殼結構GaSn@rGO NPs復合電極作為室溫液態金屬電池正極材料。結果表明，通過對電極結構的合理設計，GaSn@rGO NP展現出優異的倍率性能和循環穩定性，該研究為室溫液態金屬電池的應用提供了前所未有的機會。論文《Core-shell GaSn@rGO nanoparticles as high-performance cathodes for room-temperature liquid metal batteries》于2022年6月發表在期刊《Scripta Materialia》，文章第一作者是昆明理工大學稀貴金屬研究中心博士生王愷釗，通訊作者為胡勁教授。

鎵基液態金屬具有較高的鋰化比容量和良好的自愈性，是一種極具前景的室溫液態金屬電池正極材料。然而，大多數液態金屬正極材料面臨著嚴重的挑戰，包括體積膨脹大，固體電解質界面(SEI)不穩定以及容量衰減嚴重。在這里，我們報道了一種簡單的涂層策略，由還原氧化石墨烯(rGO)封裝液態金屬納米液滴的新型核-殼結構GaSn@rGO NPs復合電極，該復合材料在充/放電過程中可以保持高度的結構完整性并展現出優異的電化學性能。褶皺還原氧化石墨烯外殼在充/放電過程中為液態金屬的鋰化膨脹提供了優越的緩沖性能并可以形成穩定的SEI膜，從而實現了卓越的循環穩定性。通過原位x射線衍射分析表明，這種新型GaSn@rGO NP復合電極是基于合金/脫合金化的鋰存儲機制。該研究表明，合理結構設計的液態金屬正極材料為實現優異倍率性能和循環穩定性的室溫液態金屬電池帶來全新的思路。

通過液態金屬納米液滴正極涂覆還原氧化石墨烯殼層是一種很有前途的緩解體積膨脹的手段。與原始的GaSn NDs相比，完全包覆還原氧化石墨烯的GaSn@rGO NPs具有以下優點：首先，采用簡易超聲處理以低成本制備LM@rGO NPs。其次，褶皺的還原氧化石墨烯殼在鋰化/剝離過程中表現出良好的彈性行為，可以適應鋰化體積膨脹并防止GaSn ND核的團聚。第三，在還原氧化石墨烯殼層表面形成穩定的SEI層可抑制持續的不可逆副反應發生以及死鋰在GaSn NDs上的堆積。第四，氧化還原石墨烯殼層具有更低的電荷轉移電阻和更穩定的傳輸能力，此外，還原氧化石墨烯形成的三維網絡導電提供了更高的電子導電性。最后，精心設計的具有低含碳量的GaSn@rGO NPs復合電極展現出優異的電化學性能，包括高的可逆比容量，杰出的倍率能力和非凡的循環穩定性。結合原位XRD揭示的新材料GaSn@rGO NP的合金化的鋰化機理。本研究可能為實現高性能室溫液態金屬電池提供了前所未有的機會。

高性能殼核GaSn@rGO液態納米顆粒陰極室溫液態金屬電池圖一：a) GaSn@rGO NP正極的制備示意圖。b) GaSn NDs的SEM圖像。c) Ga(綠色)和Sn(紫色)的元素映射。d) GaSn NDs的XRD譜圖。e) GaSn NDs的TEM圖像和高倍率TEM圖像。f) GaSn NDs的代表性亮場STEM圖像和O(紅色)、Ga(黃色)和Sn(青色)的EDX映射。

高性能殼核GaSn@rGO液態納米顆粒陰極室溫液態金屬電池圖二：GaSn@rGO NP正極的SEM圖像。(a)內插圖為低倍率SEM圖像。b) C(紅色)、O(黃色)、Ga(綠色)和Sn(紫色)的元素映射。c) GaSn@rGO NPs的TEM圖像和高倍TEM圖像以及c(橙色)、O(紅色)、Ga(黃色)和Sn(青色)的EDX映射。d) GO和GaSn@rGO NPs的XRD譜。e) GO和GaSn@rGO NPs的拉曼光譜。f) GO和GaSn@rGO NPs的C 1s XPS譜。

高性能殼核GaSn@rGO液態納米顆粒陰極室溫液態金屬電池圖三：掃描速率為0.05 mV s−1時，GaSn@rGO NPs的CV曲線。b) GaSn@rGO NPs的倍率性能(從0.1 C到5 C)。C) GaSn@rGO NPs在不同倍率下的容量與電壓分布圖。d)在5 C倍率下對GaSn@rGO NPs和GaSn NDs進行150次循環穩定性測試。e)第1、20和50個循環后對GaSn@rGO NPs進行EIS測試。f)第1、20和50個周期后對GaSn NDs進行EIS測試。g) 150次循環后對GaSn@rGO NPs進行SEM分析。h) 150次循環后GaSn NDs的死后掃描電鏡分析。i)循環后GaSn NDs和GaSn@rGO NPs正極的c1 s譜。j)循環后GaSn NDs和GaSn@rGO NPs正極的f1 s譜。

高性能殼核GaSn@rGO液態納米顆粒陰極室溫液態金屬電池圖四：GaSn@rGO NPs的原位XRD結果以及放電曲線。b)放電過程中Li-Ga合金轉變的原位XRD圖(0.8 V ~ 0.05 V)。c)放電過程中Li-Sn合金轉變的原位XRD圖(0.53 V ~ 0.05 V)。d) Li5Sn2晶體結構。e) Li13Sn5的晶體結構。