金屬鋰具有極高的理論比容量（3860 mAh/g，相當於商業化鋰電池石墨負極的十倍）和極低的電化學反應電位，是一種極具前景的新一代儲能電池（鋰硫、鋰空、固態金屬電池等）負極材料。然而，以金屬鋰作為負極存在相互牽制的挑戰，包括充放電過程中的鋰枝晶生長、固態電解質介面膜不穩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，長期制約其實際應用。針對上述難題，各種方案已被廣泛示範，如，電解液成分的調控、人工介面膜的引入、三維集流體的構建等。然而，面向實際應用及超厚電極電池發展需求，在高面負載和高電流密度下實現其穩定迴圈仍極具挑戰性。
國家奈米科學中心李祥龍研究員一直致力於儲能雜化材料的結構設計、系統工程、構效關係及應用探索，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隊提出一種宿主空間調製策略，採用木頭碳化和化學氣相沉積技術製備出一類具有自支撐三維結構的碳奈米纖維網路均勻覆蓋的低迂曲度碳質微溝道垂直陣列（CTC），用於鋰金屬複合負極（圖1）。該三維宿主材料模仿葉脈中的“協作分工”，一方面，低迂曲度碳質微溝道不僅可容納充放電過程中的體積變化，還提供長程範圍內鋰離子的均勻、直接和快速輸運通道；另一方面，均勻覆蓋的碳奈米纖維網路透過強的毛細作用提高電解液親和力，從而作為區域性儲液池、促進鋰離子在短程範圍內的均勻分佈和沉積。
圖1. 碳奈米纖維網路均勻覆蓋的低迂曲度碳質微溝道垂直陣列的設計、結構、製備及效能
基於碳質微溝道和碳奈米纖維的空間協同及鋰離子輸運和分佈的分工協作，CTC可承受極端的面負載和麵電流密度，在不同高面負載和高電流密度下（分別高達40 mAh/cm2和40 mA/cm2）表現出高的鋰沉積效率及迴圈穩定性，且兼具高安全特徵。比如，其在電流密度為10 mA/cm2和麵容量為30 mAh/cm2的極端苛刻條件下可以以很低的極化、無枝晶、穩定地迴圈1080圈以上，基於CTC和鈷酸鋰正極組裝的全電池在商業水平的負載條件下（3.4 mAh/cm2）迴圈200圈後容量保持率仍高達86%（400圈為79%）。上述研究為高效能鋰及其他金屬負極的設計、構建及應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”為題於近日發表在Matter上，第一作者為國家奈米科學中心博士研究生張思遠，通訊作者是李祥龍研究員。感謝王斌研究員、智林傑研究員對上述工作的幫助。該研究得到國家自然科學基金委、中科院等的支援。
來源：奈米中心
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https://doi.org/10.1016/j.matt.2022.01.017
