安徽大学周腾飞/西安交大陈元振，AFM观点：生物质碳骨架与液态金属协同构建高能长效储能系统

第一作者：杨辰雨

通讯作者：周腾飞*，陈元振*

单位：安徽大学，西安交通大学

能量密度≥500 Wh kg^–1的下一代电池被广泛认为是低空通勤、深空探测和重载辅助设备的关键技术，它们将能显著提升功能设备续航里程并减轻重量。传统的锂离子电池受到石墨理论容量仅372 mAh g^–1，能量密度约250 Wh kg^–1的限制，无法满足这些应用场景需求。因此，开发具有更高能量密度的可充电电池已成为核心焦点和重大挑战。锂金属具有极高的理论比容量（3860 mAh g^–1）和较低的还原电位（~3.04 V vs SHE），已引起广泛关注。在锂金属电池（LMBs）中，锂硫（Li-S）电池因其高理论比能量（≈2600 Wh kg^–1）、硫的成本低廉且储量丰富、以及使用轻质组件脱颖而出，成为下一代储能的领先候选者。然而其实际应用受到动力学迟缓、界面稳定性差、锂枝晶不可控生长以及多硫化物的穿梭效应等问题的阻碍。

近日，来安徽大学的周腾飞教授与西安交通大学的陈元振教授合作，在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“High-Throughput Carbon Scaffold and Liquid Metal Enable High-Flux Li+ Transport, Improved Interface Wettability, Dendrite Suppression, and Polysulfide Control in Li–S Batteries”的研究论文。该文章通过经过生物碱处理和高温碳化等实验方法成功制得具有导电网络的高通量碳支架（HTCS）。进而采用原位熔融的策略得到三维独立式无集流体HTCS/S复合正极和HTCS/Li-GaIn复合负极（图1）。整个电极具有多孔的高比表面积的多功能骨架和充足的内部稳定界面，可以降低锂沉积过程中的局部电流密度和界面电阻，减少极化。加入液态金属GaIn合金后，可以降低锂金属的活性，减少其与电解液的反应性，从而抑制锂枝晶的生长，促进锂的均匀沉积。多孔高通量碳载体和液态金属的自修复能力可以有效地实现高电导率和快速的Li+扩散速率，并抑制Li-S电池中多硫化物的溶解和穿梭效应。

本文首先通过经过生物碱处理和高温碳化等实验方法成功制得具有导电网络的HTCS。其中，氯化胆碱水溶液可以渗透到樟子松的纤维细胞壁中，溶解细胞壁中的部分成分，如木质素、半纤维素等，使细胞壁发生润胀，从而增加细胞壁的孔隙度和比表面积。同时，氯化胆碱中的阳离子可以与樟子松中的羟基形成氢键，增强樟子松的亲水性。HTCS作为一种三维多孔结构的碳载体由于具有较大的比表面积和多尺度的孔径将为Li+的吸附提供更多暴露的活性位点以及有利于缩短离子/电子的传输距离。随后，将硫成功负载到了HTCS上得到了三维独立式无集流体HTCS/S复合正极。同时，我们通过原位熔融的策略将液态金属GaIn加入到熔融态的锂金属得到Li-GaIn合金并均匀浸润沉积在HTCS的表面和内部结构中得到HTCS/Li-GaIn复合负极。

三维内联亲锂导电多孔的HTCS不仅促进了从电极表面到整个体相的传质，还能容纳高速体积膨胀和高可逆容量，减少界面副反应和死锂的生成，从而实现令人满意的电极完整性和超长的循环寿命。通过熔融扩散法获得了均匀分布的Li-GaIn合金并将其负载到具有导电网络的高通量碳载体上，整个电极具有多孔的高比表面积的多功能骨架和充足的内部稳定界面，可以降低锂沉积过程中的局部电流密度和界面电阻，减少极化现象。在1.0 mA cm^-2和1.0 mAh cm^-2条件下，Cu‖HTCS/Li-GaIn半电池在经过300周循环后库伦效率仍保持在97.8%。同时，HTCS/Li-GaIn复合电极组装的对称电池在循环3000 h后，具有较低的锂成核过电位仅为40 mV左右。

液态金属GaIn合金具有较好的流动性、润湿性、稳定性和自修复能力等优势，能够填充锂金属表面的微观凹凸，改善锂金属与电解质之间的界面接触，降低界面电阻。在熔融态的锂金属中加入液态金属GaIn合金后，可以降低锂金属的活性，减少其与电解液的反应性，从而抑制锂枝晶的生长，促进锂的均匀沉积。循环后HTCS/Li-GaIn复合负极完整稳定的形貌表明，HTCS和GaIn在促进Li⁺迁移、改善亲锂性能和增强界面稳定性方面的积极作用。HTCS/Li-GaIn复合负极可以持续控制重复的锂电镀/剥离过程，能减少锂金属与电解液之间的副反应，有效均化Li⁺通量，诱导Li+均匀沉积，并抑制锂枝晶生长，以获得优异的电化学性能。

得益于HTCS的限域和高通量微通道结构可以促进高效吸附和催化，在0.2 C的测试条件下，经过100次充放电循环后，HTCS/Li-GaIn电极仍然保持高达1370 mAh g^–1的可逆容量。HTCS/Li-GaIn电极基于8.2 mg cm^-2的硫高质量负载，在0.5 C的电流密度下经过200圈循环后容量仍高达507.1 mAh g^–1。多孔碳基主体可以有效地容纳S以实现高电导率、快速的Li⁺扩散速率和电荷转移动力学，并抑制Li-S电池中多硫化物的溶解和穿梭效应。

High-Throughput Carbon Scaffold and Liquid Metal Enable High-Flux Li⁺ Transport, Improved Interface Wettability, Dendrite Suppression, and Polysulfide Control in Li–S Batteries

周腾飞教授简介：安徽大学物质科学与信息技术研究院教授。从事低温特种电池、功能化液态金属以及金属气体电池研究；主持国家自然科学基金、澳大利亚优青、省部级科技及人才计划等。在 Adv. Mater., Angew., Energy Environ. Sci., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater. 等发表研究论文 130 余篇，引用超过 12000 余次，H 指数 53。任 eScience, Rare Metals, Nano-Micro Letters 期刊青年编委。

陈元振教授简介：西安交通大学材料学院教授，博士生导师。主要从事先进功能碳材料及储能器件研究，主要包括：(1)人造石墨，硬碳，超级活性碳，碳筛/石墨筛，石墨烯微米管，柔性碳纤维纸，石墨烯粉体制备与功能化；(2)Li-S电池，锂/钠离子电池，超级电容器；(3)电化学催化，新型氢离子浓差热电池，电化学脱硫脱硝，电解水制氢等方向。在国际权威期刊如Advanced Energy Materials, Advanced Functional Materials， Nano Letters, ACS Nano, Energy Storage Materials，Journal of Materials Chemistry A等发表研究论文70余篇。

本文第一作者为安徽大学博士生杨辰雨，在Adv. Funct. Mater.，Appl. Cata. B: Environ. Energy, Chem. Sci., Chem. Commun.， ACS Appl. Mater. Interfaces, Chem. Eng. J. 等期刊上以第一作者、通讯作者身份发表SCI论文7篇。