金屬鋰具有極高的理論比容量（3860 mAh/g，相當(dāng)于商業(yè)化鋰電池石墨負(fù)極的十倍）和極低的電化學(xué)反應(yīng)電位，是一種極具前景的新一代儲能電池（鋰硫、鋰空、固態(tài)金屬電池等）負(fù)極材料。然而，以金屬鋰作為負(fù)極存在相互牽制的挑戰(zhàn)，包括充放電過程中的鋰枝晶生長、固態(tài)電解質(zhì)界面膜不穩(wěn)定性及伴隨的巨大體積變化等，不僅降低電池效率、縮短使用壽命，還帶來不可忽視的安全隱患，長期制約其實際應(yīng)用。針對上述難題，各種方案已被廣泛示范，如，電解液成分的調(diào)控、人工界面膜的引入、三維集流體的構(gòu)建等。然而，面向?qū)嶋H應(yīng)用及超厚電極電池發(fā)展需求，在高面負(fù)載和高電流密度下實現(xiàn)其穩(wěn)定循環(huán)仍極具挑戰(zhàn)性。

 

       國家納米科學(xué)中心李祥龍研究員一直致力于儲能雜化材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計、系統(tǒng)工程、構(gòu)效關(guān)系及應(yīng)用探索，包括鋰離子及鋰金屬電池（比如：Nat. Commun. 2020, 11, 3826; Nano Energy 2018, 48, 179; Adv. Mater. 2015, 27, 1526; Nano Lett. 2015, 15, 6222; Nano Lett. 2013, 13, 5578）。最近，由葉脈獲得啟示，李祥龍研究員及其團(tuán)隊提出一種宿主空間調(diào)制策略，采用木頭碳化和化學(xué)氣相沉積技術(shù)制備出一類具有自支撐三維結(jié)構(gòu)的碳納米纖維網(wǎng)絡(luò)均勻覆蓋的低迂曲度碳質(zhì)微溝道垂直陣列（CTC），用于鋰金屬復(fù)合負(fù)極（圖1）。該三維宿主材料模仿葉脈中的“協(xié)作分工”，一方面，低迂曲度碳質(zhì)微溝道不僅可容納充放電過程中的體積變化，還提供長程范圍內(nèi)鋰離子的均勻、直接和快速輸運通道；另一方面，均勻覆蓋的碳納米纖維網(wǎng)絡(luò)通過強的毛細(xì)作用提高電解液親和力，從而作為局部儲液池、促進(jìn)鋰離子在短程范圍內(nèi)的均勻分布和沉積。

圖1. 碳納米纖維網(wǎng)絡(luò)均勻覆蓋的低迂曲度碳質(zhì)微溝道垂直陣列的設(shè)計、結(jié)構(gòu)、制備及性能

 

       基于碳質(zhì)微溝道和碳納米纖維的空間協(xié)同及鋰離子輸運和分布的分工協(xié)作，CTC可承受極端的面負(fù)載和面電流密度，在不同高面負(fù)載和高電流密度下（分別高達(dá)40 mAh/cm2和40 mA/cm2）表現(xiàn)出高的鋰沉積效率及循環(huán)穩(wěn)定性，且兼具高安全特征。比如，其在電流密度為10 mA/cm2和面容量為30 mAh/cm2的極端苛刻條件下可以以很低的極化、無枝晶、穩(wěn)定地循環(huán)1080圈以上，基于CTC和鈷酸鋰正極組裝的全電池在商業(yè)水平的負(fù)載條件下（3.4 mAh/cm2）循環(huán)200圈后容量保持率仍高達(dá)86%（400圈為79%）。上述研究為高性能鋰及其他金屬負(fù)極的設(shè)計、構(gòu)建及應(yīng)用提供了一種新思路和新途徑。

 

       該項工作以“Spatially Hierarchical Carbon Enables Superior Long-Term Cycling of Ultrahigh Areal Capacity Lithium Metal Anodes”為題于2022年2月11日發(fā)表在Matter上，第一作者為國家納米科學(xué)中心博士研究生張思遠(yuǎn)，通訊作者是李祥龍研究員。感謝王斌研究員、智林杰研究員對上述工作的幫助。該研究得到國家自然科學(xué)基金委、中科院等的支持。