厦大郑志锋教授团队AEM综述：碳/锂复合电极用于先进的锂金属电池：设计，进展，原位表征和展望

第一作者：吕泰裕

通讯作者：郑志锋、陶磊

通讯单位：厦门大学，弗吉尼亚理工大学

金属锂负极具有最低的氧化还原电位和超高的理论比容量，被是下一代锂离子电池的有利竞争者。然而，非均匀锂沉积、锂枝晶的生长和低的库仑效率等障碍限制了其实际应用。在合理的电极设计中，碳材料因重量轻、导电性高、可调的物理化学性质，被视为稳定锂金属的理想载体用于解决上述问题。

因此，大量的研究工作用于设计具有多亲锂位点和大比表面积的3D碳材料，以促进快速锂离子迁移、成核，并通过控制锂沉积动力学来缓解锂树枝晶的生长。

为此，厦门大学郑志锋教授团队系统地总结了用于锂金属电池的碳材料/锂复合负极的最新进展，内容包括：

1）构建碳/锂复合的方法，

2）设计亲锂的机理，

3）各种碳材料基底的最新设计进展，

4）原位表征技术揭示锂金属负极的工作机理，

5）展望。

该综述将为锂金属电池的技术发展和实际应用提供新的见解。

图1. 总结碳/锂负极的复合方法、亲锂性的设计、不同碳基底的最新设计和原位表征技术。

目前已开发出三种可行的Li预沉积方法来制备碳/Li金属复合电极，包括电沉积法、热浸渗法和机械轧制法。在本节中，我们主要讨论这些方法及其优缺点。

图2.碳/锂复合电极的制备方法。

要点二：亲锂性的设计方法

碳材料因其重量轻、机械稳定性高、化学稳定性好、导电性高、成本低，已被视为锂金属负极的理想基底。然而，如果没有适当的表面功能化，原始碳表面通常是憎锂的，导致高过电位、不均匀的锂沉积，并可能在电池运行期间形成锂树枝晶。有效改善碳材料的亲锂性的方法包括表面缺陷、杂原子掺杂、含锂合金相、金属纳米粒子、金属氧化物、金属氮化物、金属单原子和LiC₆等。在此，我们主要总结和讨论了这些提高碳基底亲锂性的方法，并对这些亲锂性方法的优缺点进行对比。

表1. 对比亲锂性设计方法的优缺点。

要点三：不同类别碳材料基底的最新进展

碳材料因其重量轻、可调的物理化学性质、电导率高、成本低等优点，被认为是锂负极的理想基底。为了合理设计不同的锂金属负极的碳材料基底，大量的工作，包括生物质衍生碳基底、石墨烯基底、MXene基底、商用碳布基底、静电纺丝制备的碳纤维基底和碳纳米管基底等。

这些碳基底的成核过电位较低，成核均匀，与亲锂性的设计相结合时对锂枝晶生长有抑制作用。在此，我们重点介绍这些典型碳材料的合理设计、最新进展及其/ Li复合电极的电化学性能，并对比这些碳基底的优缺点。

图3.生物质衍生碳基底用于锂金属电池。

图4. 静电纺丝制备的碳纤维基底用于锂金属电池。

要点四：揭示锂金属电极工作机理的原位表征技术

令人关切的是，锂金属电池在电池运行期间会经历电镀/剥离过程，这与传统石墨负极锂离子电池不同。因此，以往对锂离子电池储锂机理的研究大多不能应用于锂金属电池，这意味着对如何消除锂树枝晶的形成和提高电化学性能缺乏基本了解。众所周知，锂金属负极的电化学性能，如形核过电位、滞后电压、倍率性能和长循环寿命在很大程度上取决于电极电化学反应、形态和结构演变、相变、Li+扩散以及Li电镀/剥离过程中的电极/电解质界面变化。

因此，深入了解锂金属电极结构和动力学对于优化和设计新型锂金属基底至关重要。在此，我们总结原位表征技术在揭示锂金属电极工作机理研究中的重要作用。这些原位表征主要包括原位原位光学显微镜，原位拉曼，原位XRD，原位TEM等。

图5.原位表征技术揭示锂金属电极工作机理。

图6.原位TEM技术揭示锂金属电极工作机理。

要点五：展望

碳/锂复合电极已经取得了突出的成就，但仍然存在许多障碍，金属锂电池的实际应用充满了挑战。因此，我们总结了锂金属电池必要的研究方向（图7）。通过不断的研究，高能量密度、高安全性的锂金属电池具有广阔的前景。

图7. 锂金属电池面临的几个重要挑战。

Carbon/Lithium Composite Anode for Advanced Lithium Metal Batteries: Design, Progress, In Situ Characterization, and Perspectives. Adv. Energy Mater. 2022, 2201493. 

陶磊博士：目前是弗吉尼亚理工大学化学博士后，主要研究方向为生物质废弃物转化为先进锂/钠金属电池的可再生能源存储材料。目前以第一作者/通讯在AEM，AFM, Energy Storage Materials和Nano Energy等发表多篇论文。

郑志锋教授：厦门大学闽江学者特聘教授/博士生导师、南强重点教授、能源学院副院长（主持工作）。福建省新能源产业技术开发基地主任，厦门大学先进能源转换与储存技术研究组组长。目前，已发表期刊论文230余篇，获奖励20余项，获中国专利20余项。主要研究方向为碳基能源材料、能源储存和先进燃料，特别是用于锂/钠离子电池、超级电容器和燃料电池的先进碳材料。

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