彭哲研究员、姚霞银研究员，Nano Energy：利用一种具有电沉积调控空间的亲锂聚合物宿体实现高稳定金属锂电极

第一作者：何媛玥

通讯作者：彭哲*，姚霞银*

单位：宁波大学，中国科学院宁波材料技术与工程研究所，中国科学院大学材料科学与光电子工程中心

金属锂阳极枝晶生长、体积变化率大、固体电解质间相（SEI）不稳定严重影响了金属锂二次电池的循环性能和安全性，是发展高比能金属锂电池技术的巨大挑战。基于电极表面的沉积溶解反应机制是造成“无宿主”金属锂电极循环不稳定的主要原因，亟需通过合理的电极结构设计来解决。构建人工宿主结构是抑制枝晶生长、提高金属锂电极性能的常用方法之一，在现有宿主类别基础上进一步进行结构和功能改性，将有望促进金属锂电极在实际电芯中的使役效果。

近日，中国科学院宁波材料技术与工程研究所的彭哲研究员和姚霞银研究员在国际知名期刊Nano Energy上发表题为“Hosting Li⁰ in an activated lithiophilic polymer matrix with electrodeposition regulating spaces for stable lithium metal anodes”的研究论文。该工作以一种聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）基质作为宿体结构主链、以碳纳米管（CNT）作为调控宿主内部金属锂沉积的孔隙填充物，同时包覆铌（Nb）基界面在循环中原位激活PET基质的亲锂性，引导锂离子在此多功能宿主中均匀成核、内部沉积和稳定循环，实现了金属锂电池在实际容量~2.5 mAh cm^-2条件下超过400圈的稳定循环。

为了克服传统导电性宿主的顶部金属锂沉积（图1a）和惰性宿主内部离子输运限制造成的不均匀锂沉积（图1b），制备了一种以PET基质为主体材料、以CNT海绵为孔隙填料的分层宿主结构，防止顶部金属锂沉积的同时，提升宿主内部空间锂沉积的均匀性，实现金属锂在宿主结构中的高度可逆存储（图1c）。

PET骨架上丰富的极性位点（C=O或-O-）可与锂离子进行相互作用，赋予了其潜在的亲锂性质和增强锂离子输运动力学的可能。然而，PET的本征绝缘性致使锂离子即便在表面吸附，也难以进行长程输运，造成较大的界面极化。通过包覆Nb基涂层，可以在PET表面诱导形成具有锂离子传导功能的界面膜，彻底激活PET的亲锂特性，将被吸附锂离子快速均匀地输运到宿主结构内部，并在CNT填充区域发生均匀沉积，实现了金属锂优异的循环性能（图2）。

将金属锂与高负载磷酸铁锂正极（2.5 mAh cm^-2）组装全电池。在倍率性能测试中，使用PET-CNT-Nb的全电池在2C循环条件下可释放0.1C循环容量的86.5%，优于使用PET（52.4%）和PET-CNT（84.0%）的全电池（图3a）；长循环测试中，使用PET-CNT-Nb的全电池在0.5C充放电速率下，循环400圈容量保持率为90%（图3d），在1C充放电速率下，循环180圈容量保持率依然高于80%（图3f），显著优于使用PET和PET-CNT的全电池。

Hosting Li⁰ in an activated lithiophilic polymer matrix with electrodeposition regulating spaces for stable lithium metal anodes

姚霞银 研究员简介： 中国科学院宁波材料技术与工程研究所研究员，入选国家、中科院、浙江省等青年人才计划支持。2009年毕业于中国科学院固体物理研究所&宁波材料技术与工程研究所，获工学博士学位，并获中国科学院院长优秀奖。同年7月起在中国科学院宁波材料技术与工程研究所从事科研工作，期间曾先后在韩国汉阳大学、新加坡南洋理工大学、美国马里兰大学从事储能材料研究。目前研究兴趣集中于全固态二次电池关键材料及技术研究，迄今为止，与合作者一起在Advanced Materials、Nano Letters、Advanced Energy Materials、Nano Today、ACS Nano、Nano Energy、ACS Energy Letters、Energy Storage Materials等材料及新能源领域期刊上发表论文165篇，申请发明专利60余项。主持/承担了包括高技术项目、国家重点研发计划子课题、国家自然科学基金等在内的多个项目的研究工作，担任中国化工学会第二届储能工程专业委员会委员、浙江省能源研究会储能技术专业委员会首届副主任委员，《储能科学与技术》、《Batteries》杂志编委以及《Chinese Chemical Letters》青年编委。

彭哲 研究员简介： 中国科学院宁波材料技术与工程研究所研究员，宁波市领军和拔尖人才工程培养计划。2007年本科毕业于法国萨瓦大学，2009年硕士毕业于法国格勒诺布尔国家综合理工学院，2012年博士毕业于法国蒙彼利埃国家高等化工学院。博士期间由法国原子能委员会（The French Atomic Energy Commission, CEA）和蒙彼利埃国家高等化工学院联合培养，从事燃料电池电化学材料研究。2014年加入中科院宁波材料所，从事锂金属二次电池技术的研发。已在ACS Energy Letters, Advanced Energy Materials, Advanced Functional Materials，Nano Energy等国际著名期刊发表论文60余篇。

何媛玥：宁波大学与中国科学院宁波材料技术与工程学院（NIMTE，CAS）联合培养的硕士研究生，于2020年在郑州大学获得学士学位。研究方向为高比能金属二次电池中的金属阳极保护。

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