摘要：镓基液态金属（LM）具有高理论容量、优异的电极动力学性能和独特的自修复能力，已成为锂离子电池（LIBs）负极材料的有力候选者。然而，电化学反应过程中的液-固-液相变可能会破坏固态电解质界面（SEI）并损害结构完整性，最终限制了循环稳定性。

镓基液态金属（LM）具有高理论容量、优异的电极动力学性能和独特的自修复能力，已成为锂离子电池（LIBs）负极材料的有力候选者。然而，电化学反应过程中的液-固-液相变可能会破坏固态电解质界面（SEI）并损害结构完整性，最终限制了循环稳定性。

【成果速览】

该研究中，福耀科技大学蒋建中、燕山大学黄建宇团队通过一种简便的自组装策略合成了具有分级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）。采用定制的RGO@EGaIn电极的锂离子电池半电池和全电池均表现出优异的性能。

通过原位原位透射电子显微镜（TEM）表征，揭示了RGO@EGaIn LMPs在锂化/脱锂过程中的形貌和相变。研究表明，RGO分级结构促进了LMPs的体积膨胀从≈160%缓冲至125%，并在电化学反应过程中提供了离子和电子的快速传输通道，从而有效提升了电极的电化学性能。

该研究为制备高性能室温液态金属电极提供了一种简单有效的方法，标志着液态金属电池商业化应用的重要进展。

相关成果以「Hierarchical-Structured RGO@EGaIn Composites as Advanced Self-Healing Anode for Room-Temperature Liquid Metal Battery」为题刊登在Advanced Materials上，福耀科技大学黄成浩、燕山大学杨晓龙、福耀科技大学龚思琪为论文共同第一作者，黄建宇、蒋建中为论文共同通讯作者。

【数据概况】

图1. a 分级结构RGO@EGaIn液态金属纳米颗粒（LMNPs）的制备过程示意图，b 酸性溶液中GO在EGaIn LMNPs表面的自组装和部分还原过程。

氧化石墨烯（GO）通过静电吸附作用吸附在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之间形成互连的三维网络结构，最终形成具有分级结构的复合材料。

该复合材料具有五个关键特征：1）分级结构中的RGO提高了复合材料的导电性，促进了电化学反应过程中离子和电子的快速迁移。2）三维分级网络结构缩短了电化学反应过程中Li+的传输距离，并增加了电极与电解液的接触界面，有效提升了锂离子电池的电化学性能。3）在锂化/脱锂过程中，具有固有柔性的RGO壳层能够抑制体积膨胀并适应核壳结构LMPs的不规则变形，避免了循环过程中RGO壳层和固态电解质界面（SEI）膜的破裂。4）RGO的层间网络结构可以充当缓冲层和保护层，进一步抑制LMPs的体积膨胀。5）RGO壳层和层间RGO的固有柔性增强了电极的稳定性。

因此，将制备的RGO@EGaIn LMPs负极与商用LiFePO4（LFP）正极匹配，实现了具有优异循环稳定性的全电池。通过原位透射电子显微镜（TEM）纳米电池实验，研究了电化学反应过程中LMPs的实时形貌和相变。特别是，揭示了Ga和In的实时相变过程，即Ga↔Li₂Ga₇↔LiGa↔Li₂Ga和In↔LiIn₃↔LiIn₂↔Li₂In。

RGO壳层和层间RGO有效抑制并适应了LMP核在相变过程中的体积变化，使LMPs在完整的充放电循环后能够恢复到原始状态。该研究提出了一种简单新颖的策略来制备高性能液态金属电极，并揭示了Li⁺存储机制，为室温液态电池的商业化应用提供了新见解。

图2. a-b RGO@EGaIn-V-4样品的TEM图像，c 高分辨TEM（HRTEM）图像，d 选区电子衍射（SAED）图案，以及e 能谱（EDX）元素分布图。f-g RGO@EGaIn-F-5样品的TEM图像，h HRTEM图像，i SAED图案，j EDX元素分布图。

图3. a RGO@EGaIn复合材料的X射线衍射（XRD）图谱。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的热重（TG）曲线。d Ga 2p、e In 3d和f C 1s的高分辨X射线光电子能谱（XPS）图谱。

图4. a、c RGO@EGaIn-F负极的倍率性能和循环稳定性。b、d RGO@EGaIn-V负极的倍率性能和循环稳定性。e、h RGO@EGaIn-F-5负极的循环伏安（CV）曲线和电化学阻抗谱（EIS）结果。f、i RGO@EGaIn-V-4负极的CV曲线和EIS结果。g RGO@EGaIn-F-5和RGO@EGaIn-V-4负极在3 A g⁻¹电流密度下的循环稳定性。

【结论展望】

总之，该研究提出了一种新颖且简便的策略，用于制备具有分级结构的RGO@EGaIn复合材料，该材料在用为锂离子电池（LIBs）负极时表现出优异的自修复性能。分级结构加速了复合材料的反应动力学，并改善了电极与电解质之间的界面接触。通过原位透射电子显微镜观察发现，覆盖在核壳结构LMPs表面的柔性RGO壳层，以及层间RGO片之间形成的网络结构，有效抑制并适应了LMPs在锂化过程中的不规则体积变化，赋予了LMPs自修复能力。

另外，真空干燥过程中石墨烯表面官能团的反应增强了RGO在LMPs表面的吸附。同时，复合材料中RGO层之间形成的共价键增强了层间结合力，从而提升了RGO@EGaIn-V-4负极的优异电化学性能。该研究为提高室温液态金属电池的性能提供了一种简单且通用的策略。

来源：莱娜探长