李祥龙Matter：叶脉启发的空间分层碳实现稳定的超高面容量锂金属负极！

金属锂因其极高的理论比容量和最低的氧化还原电位，被视为下一代可充电池的最终负极解决方案。然而，锂基可充电池尚未商业化，这主要是因为锂枝晶生长、连续电解液消耗和重复充放电过程中的大容量变化等尚未解决的挑战。

国家纳米科学中心李祥龙等提出了一种叶脉启发的锂负极空间调制承载策略。

图1 锂金属负极的材料策略以及碳质宿主（CTC）的制造工艺示意图

由此产生的自支撑毛细作用涉及的低曲折碳质主体（CTC）由木材衍生的碳膜组成，该碳膜具有垂直排列的微通道，覆盖着随机网状的碳纳米纤维垫。这种设计允许以模仿叶脉中“分工”的方式运行，一方面，低曲折的碳膜适应循环时的体积变化，同时形成均匀、笔直和直接的离子传输路径，从而允许在电极的长距离内均匀、快速地传输锂离子以及高倍率运行。

另一方面，覆盖的碳纳米纤维垫在整个电极厚度的短范围内可提供强大的毛细作用，从而增强与电解液的亲和力，这使得碳纳米纤维垫能够作为大量均匀分布和局部化的微型储层来容纳电解液，从而促进锂离子的均匀分布，并在高面负载和高倍率循环下均匀地沉积和剥离锂。

图2 结构及形态表征

这种空间分层设计与以前经常依赖人工SEI层或3D主体的表面亲锂功能的工作有着根本的不同。因此，所制备的电极在高面积容量（高达40 mAh cm⁻²）和高电流密度（高达40 mA cm⁻²）的各种条件下表现出优异的循环稳定性，包括在30 mAh cm⁻²和10 mA cm⁻²条件下实现了高达1080次的异常稳定无枝晶循环。

这项工作为稳定、高面容量、无枝晶的锂负极提供了一个概念上不同的选择，并为设计和制造其他金属电池负极提供了一个空间层次的范例。

图3 电化学性能

Spatially hierarchical carbon enables superior long-term cycling of ultrahigh areal capacity lithium metal anodes. Matter 2022. DOI: 10.1016/j.matt.2022.01.017

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李祥龙Matter：叶脉启发的空间分层碳实现稳定的超高面容量锂金属负极！

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