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據(jù)國(guó)家納米科學(xué)中心消息，金屬鋰具有極高的理論比容量（相當(dāng)于商業(yè)化鋰電池石墨負(fù)極的10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(chǔ)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(guò)程中的鋰枝晶生長(zhǎng)、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(lái)不可忽視的安全隱患，長(zhǎng)期制約其實(shí)際應(yīng)用。

針對(duì)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(shí)現(xiàn)其穩(wěn)定循環(huán)仍極具挑戰(zhàn)性。

國(guó)家納米科學(xué)中心李祥龍研究員一直致力于儲(chǔ)能雜化材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、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。

最近，由葉脈獲得啟示，李祥龍研究員及其團(tuán)隊(duì)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?gòu)?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(guò)程中的體積變化，還提供長(zhǎng)程范圍內(nèi)鋰離子的均勻、直接和快速輸運(yùn)通道；另一方面，均勻覆蓋的碳納米纖維網(wǎng)絡(luò)通過(guò)強(qiáng)的毛細(xì)作用提高電解液親和力，從而作為局部?jī)?chǔ)液池、促進(jìn)鋰離子在短程范圍內(nèi)的均勻分布和沉積。

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(yùn)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。該研究成果為高性能鋰及其他金屬負(fù)極的設(shè)計(jì)、構(gòu)建及應(yīng)用提供了一種新思路和新途徑。


該項(xiàng)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(guó)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。

據(jù)了解，李祥龍研究員的研究領(lǐng)域?yàn)樾履茉刺紵o(wú)機(jī)雜化材料，主要包括：雜化材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、可控制造及結(jié)構(gòu)性能相關(guān)性研究；雜化材料在鋰離子和鋰金屬電池領(lǐng)域的應(yīng)用基礎(chǔ)研究。

原標(biāo)題： 國(guó)家納米科學(xué)中心李祥龍課題組在鋰金屬電池負(fù)極研究上取得新進(jìn)展