国防科大刘双科&孙巍巍、清华周光敏最新EnSM观点：曲率诱导应变调控轻质3D管状碳基体的亲锂性与锂沉积动力学

第一作者：姜钟伟

通讯作者：刘双科*，孙巍巍*，周光敏*

单位：国防科技大学空天科学学院，清华大学深圳国际研究生院

锂金属负极因高理论比容量(3860 mAh g^-1)与低氧化还原电位(-3.045 V vs.S.H.E.)被视为理想负极材料，但锂枝晶生长、不稳定SEI及体积膨胀等问题制约了其应用。为了克服这些挑战，包括人工SEI、保护涂层、合金化、三维多孔框架及电解质优化在内的多种策略被提出。其中，合理的三维集流体设计因其能同时缓解体积变化与抑制枝晶生长而备受关注。而调控三维（3D）集流体的亲锂性对于改善锂沉积和抑制枝晶生长至关重要。然而，先前的研究主要集中在改变亲锂成分上，而由几何结构引起的应变对亲锂性的影响仍知之甚少。

近日，来自国防科技大学的刘双科副教授，孙巍巍副研究员与清华大学深圳国际研究生院的周光敏副教授合作，在国际知名期刊Energy Storage Materials上发表了题为“Curvature-induced strain to realize differential lithiophilicity for selective lithium deposition and stable lithium anode”的文章。该文章提出了一种新颖的曲率诱导应变工程方法，用于调控轻质三维管状碳基体的亲锂性和锂沉积动力学。对于具有内外MnO₂纳米片阵列修饰的中空碳纤维（MnO₂@HCFC），理论计算和实验证实，空心碳纤维管内外两侧的MnO2分别承受压应力和拉应力。这种由曲率引起的应变改变了MnO₂层的O2p能带中心，从而调节了亲锂性并且实现了锂优先在纤维内部的均匀沉积。由此合成的复合锂金属负极（Li-MnO₂@HCFC）在对称电池以及全电池中均表现出了良好的电化学性能。这项工作为通过曲率诱导应变工程设计3D锂宿主以增强锂金属负极性能提供了新的见解。

非对称曲率诱导应变工程调节亲锂性和选择性锂沉积的设计示意图如图1所示。中空纤维内外生长的亲锂层由于内外曲率的不同会分别受到压，拉应力，从而产生非对称应变。碳纤维管内部的压应力减小了亲锂层的晶格常数，增加了其亲锂性，使得锂优先在纤维管内沉积。这种选择性亲锂设计不仅抑制了锂枝晶的生长，还缓解了体积膨胀，从而提高了锂金属负极的循环性能。为了验证上述假设，采用了常用MnO₂作为代表亲锂层，并分别计算了在拉伸和压缩应变下管状纤维内外亲锂层的晶体结构参数，电子结构以及吸附能的的变化。计算结果表明，内部受到压应力的MnO₂晶体的键长缩短，由此导致O2p能带中心上移，具有更大的吸附能。进一步的COMSOL模拟表明，锂在MnO₂@HCFC中能均匀沉积并优先沉积于纤维内部。

进一步与具有高面容的LCO正极（10.3 mg cm-2）组装成全电池，倍率性能与长循环能力相比于Bare Li，Li-HCFC电极都有较为明显的提升，在0.5 C的充放电倍率下循环400次后，容量保持率可达85.7%。相应的软包电池在恶劣条件测试下也表现出良好的循环稳定性。

Curvature-induced strain to realize differential lithiophilicity for selective lithium deposition and stable lithium anode

刘双科：国防科技大学材料科学与工程系副教授，硕士生导师。分别于2010年和2016年获得湖南大学士学位和国防科技大学博士学位。主要从事高比能锂硫电池、锂金属电池、柔性电池关键材料及器件等方面的研究。邮箱：liushuangke@nudt.edu.cn

周光敏：清华大学深圳国际研究生院副教授，博士生导师，入选国家海外高层次青年人才项目，2014年博士毕业于中国科学院金属研究所，导师为成会明院士和李峰研究员。2014-2015年于美国UT Austin从事博士后研究，合作导师为Arumugam Manthiram教授。2015-2019年在斯坦福大学从事博士后研究，合作导师为Yi Cui教授。主要研究方向为电化学储能材料及器件与电池回收，发表论文270余篇，包括第一及通讯作者论文Nature Catalysis、Nature Energy、Nature Sustain.、Nature Nanotech.、Chem. Rev.、Nat. Sci. Rev.、Nature Commun.、PNAS等。论文被引用 43000多次，50余篇入选ESI高被引论文，H-index为89，2018-2023连续6年入选科睿唯安全球高被引科学家。