金属锂具有极高的理论比容量（3860 mAh/g，相当于商业化锂电池石墨负极的十倍）和极低的电化学反应电位，是一种极具前景的新一代储能电池（锂硫、锂空、固态金属电池等）负极材料。然而，以金属锂作为负极存在相互牵制的挑战，包括充放电过程中的锂枝晶生长、固态电解质界面膜不稳定性及伴随的巨大体积变化等，不仅降低电池效率、缩短使用寿命，还带来不可忽视的安全隐患，长期制约其实际应用。针对上述难题，各种方案已被广泛示范，如，电解液成分的调控、人工界面膜的引入、三维集流体的构建等。然而，面向实际应用及超厚电极电池发展需求，在高面负载和高电流密度下实现其稳定循环仍极具挑战性。

 

       国家纳米科学中心李祥龙研究员一直致力于储能杂化材料的结构设计、系统工程、构效关系及应用探索，包括锂离子及锂金属电池（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，由叶脉获得启示，李祥龙研究员及其团队提出一种宿主空间调制策略，采用木头碳化和化学气相沉积技术制备出一类具有自支撑三维结构的碳纳米纤维网络均匀覆盖的低迂曲度碳质微沟道垂直阵列（CTC），用于锂金属复合负极（图1）。该三维宿主材料模仿叶脉中的“协作分工”，一方面，低迂曲度碳质微沟道不仅可容纳充放电过程中的体积变化，还提供长程范围内锂离子的均匀、直接和快速输运通道；另一方面，均匀覆盖的碳纳米纤维网络通过强的毛细作用提高电解液亲和力，从而作为局部储液池、促进锂离子在短程范围内的均匀分布和沉积。

图1. 碳纳米纤维网络均匀覆盖的低迂曲度碳质微沟道垂直阵列的设计、结构、制备及性能

 

       基于碳质微沟道和碳纳米纤维的空间协同及锂离子输运和分布的分工协作，CTC可承受极端的面负载和面电流密度，在不同高面负载和高电流密度下（分别高达40 mAh/cm2和40 mA/cm2）表现出高的锂沉积效率及循环稳定性，且兼具高安全特征。比如，其在电流密度为10 mA/cm2和面容量为30 mAh/cm2的极端苛刻条件下可以以很低的极化、无枝晶、稳定地循环1080圈以上，基于CTC和钴酸锂正极组装的全电池在商业水平的负载条件下（3.4 mAh/cm2）循环200圈后容量保持率仍高达86%（400圈为79%）。上述研究为高性能锂及其他金属负极的设计、构建及应用提供了一种新思路和新途径。

 

       该项工作以“Spatially Hierarchical Carbon Enables Superior Long-Term Cycling of Ultrahigh Areal Capacity Lithium Metal Anodes”为题于2022年2月11日发表在Matter上，第一作者为国家纳米科学中心博士研究生张思远，通讯作者是李祥龙研究员。感谢王斌研究员、智林杰研究员对上述工作的帮助。该研究得到国家自然科学基金委、中科院等的支持。