白莹课题组在锂离子电池锂金属复合负极研究方向取得新进展

近日，国际储能材料领域的著名刊物《Energy Storage Materials》（影响因子17.789）报道了物理与电子学院白莹课题组在锂金属复合负极方向的研究进展，相关成果以“Defect-abundant Commercializable 3D Carbon Papers for Fabricating Composite Li Anode with High Loading and Long Life”为题在线发表。

金属锂有着极高的理论比容量（3860 mAh g ^{− 1} ）和极低的还原电极电势（3.04 V vs. 标准氢电极），被认为是高比能二次电池的理想负极材料之一。然而，金属锂在反复的沉积/脱出过程中容易形成锂枝晶和发生体积膨胀等问题，导致锂金属电池的库仑效率低，循环寿命短。将三维碳骨架结构引入锂金属负极中，形成复合锂金属负极，可以有效缓解锂的体积膨胀和抑制锂枝晶的生长。但是碳骨架结构的亲锂性是影响锂沉积行为的关键因素，因此提高三维碳骨架的亲锂性以提高复合锂金属负极的电化学性能变得尤为关键。为了提高碳骨架结构的亲锂性，该团队运用微波等离子体去胶机在商业三维碳纸上引入大量的碳缺陷，通过增加碳缺陷简单高效地提升三维碳纸的亲锂性。匹配商业正极NCA材料（面容量为21.93 mg cm ^{− 2} ），循环500周后依然保持有160.2 mAh g ^{− 1} 的可逆容量。

与低亲锂性的三维碳纸材料相比，高亲锂性的三维碳纸材料可以显著提高电池体系的电化学性能（图1）。通过增加亲锂活性位点来抑制锂枝晶的形成，有利于锂离子在电极表面的沉积/脱出，进而诱导锂离子的均匀输运，使得锂离子在复合负极表面沉积均匀。此外，复合负极在界面处形成稳定的SEI膜，使得电池的循环稳定性进一步得到提升。因此，亲锂的复合负极材料为未来金属锂负极的大规模应用提供了新的策略，并可推广到更高能量密度的Li-S、Li-O ₂ 电池等其他二次储能体系。

充满缺陷的三维碳纸与未经处理的原始三维碳纸相比在提高电化学性能方面的优势示意图。

河南大学物理与电子学院为该论文的第一单位，河南大学白莹教授、中国科学院物理研究所胡勇胜研究员为共同通讯作者，2016级博士研究生潘都为第一作者。该研究工作受到国家自然科学基金面上项目、国家重点研发计划子课题、河南省中原英才计划、河南省高等学校学科创新引智基地、河南省教育厅科技创新团队、河南省高校科技创新人才项目、河南大学杰出青年培育基金等经费的资助。

面向下一代新型高性能二次离子电池的研究和应用，白莹课题组一直致力于二次电池关键材料研究及多功能界面的构筑，为下一代二次电池的发展提供新策略与新方案（Advanced Science, 2022; Nano Energy, 2021, 83, 105775; Advanced Science, 2021, 8, 2101000；Nanoscale, 2021, 13, 7822; Advanced Science, 2020, 7, 1902538）。

论文链接： https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2405829722002975#fig0003