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近日，國際儲能材料領(lǐng)域的著名刊物《Energy Storage Materials》（影響因子17.789）報道了河南大學(xué)物理與電子學(xué)院白瑩課題組在鋰金屬復(fù)合負(fù)極方向的研究進(jìn)展，相關(guān)成果以“Defect-abundant Commercializable 3D Carbon Papers for Fabricating Composite Li Anode with High Loading and Long Life”為題在線發(fā)表。

金屬鋰有著極高的理論比容量（3860 mAh g?1）和極低的還原電極電勢（3.04 Vvs.標(biāo)準(zhǔn)氫電極），被認(rèn)為是高比能二次電池的理想負(fù)極材料之一。然而，金屬鋰在反復(fù)的沉積/脫出過程中容易形成鋰枝晶和發(fā)生體積膨脹等問題，導(dǎo)致鋰金屬電池的庫侖效率低，循環(huán)壽命短。將三維碳骨架結(jié)構(gòu)引入鋰金屬負(fù)極中，形成復(fù)合鋰金屬負(fù)極，可以有效緩解鋰的體積膨脹和抑制鋰枝晶的生長。但是碳骨架結(jié)構(gòu)的親鋰性是影響鋰沉積行為的關(guān)鍵因素，因此提高三維碳骨架的親鋰性以提高復(fù)合鋰金屬負(fù)極的電化學(xué)性能變得尤為關(guān)鍵。為了提高碳骨架結(jié)構(gòu)的親鋰性，該團(tuán)隊運用微波等離子體去膠機在商業(yè)三維碳紙上引入大量的碳缺陷，通過增加碳缺陷簡單高效地提升三維碳紙的親鋰性。匹配商業(yè)正極NCA材料（面容量為21.93 mg cm?2），循環(huán)500周后依然保持有160.2 mAh g?1的可逆容量。

與低親鋰性的三維碳紙材料相比，高親鋰性的三維碳紙材料可以顯著提高電池體系的電化學(xué)性能（圖1）。通過增加親鋰活性位點來抑制鋰枝晶的形成，有利于鋰離子在電極表面的沉積/脫出，進(jìn)而誘導(dǎo)鋰離子的均勻輸運，使得鋰離子在復(fù)合負(fù)極表面沉積均勻。此外，復(fù)合負(fù)極在界面處形成穩(wěn)定的SEI膜，使得電池的循環(huán)穩(wěn)定性進(jìn)一步得到提升。因此，親鋰的復(fù)合負(fù)極材料為未來金屬鋰負(fù)極的大規(guī)模應(yīng)用提供了新的策略，并可推廣到更高能量密度的Li-S、Li-O2電池等其他二次儲能體系。

圖1.充滿缺陷的三維碳紙與未經(jīng)處理的原始三維碳紙相比在提高電化學(xué)性能方面的優(yōu)勢示意圖。

河南大學(xué)物理與電子學(xué)院為該論文的第一單位，河南大學(xué)白瑩教授、中國科學(xué)院物理研究所胡勇勝研究員為共同通訊作者，2016級博士研究生潘都為第一作者。該研究工作受到國家自然科學(xué)基金面上項目、國家重點研發(fā)計劃子課題、河南省中原英才計劃、河南省高等學(xué)校學(xué)科創(chuàng)新引智基地、河南省教育廳科技創(chuàng)新團(tuán)隊、河南省高?？萍紕?chuàng)新人才項目、河南大學(xué)杰出青年培育基金等經(jīng)費的資助。

論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2405829722002975#fig0003

參考資料：https://phye.henu.edu.cn/info/1054/5619.htm