西北工业大学艾伟教授课题组AEM综述：碳基中间层修饰铜集流体稳定锂金属负极

第一作者：关婉晴

通讯作者：艾伟*

单位：西北工业大学

随着消费电子、电动交通、航空航天等领域的快速发展，人们对电池的体积、续航时间等方面提出了更高要求。就锂离子电池而言，虽然经过多代更迭发展，但石墨负极较低的理论比容量限制了电池向500Wh Kg^-1的目标迈进。在众多负极材料中，锂金属因其较高的比容量（3860 mAh g^-1）和最低的电极电位（-3.04 V vs. SHE）显现出极大的应用前景。然而，锂金属负极存在枝晶生长、固态电解质界面不稳定、体积膨胀等问题，严重阻碍了锂金属电池的实际应用。中间层不仅能够阻止锂金属负极和电解质的直接接触，还能作为物理屏障抑制锂枝晶传播。其中，在铜集流体表面构建中间层不仅可以避免锂负极制备所需的苛刻环境，还能通过调控锂沉积防止锂资源浪费。碳材料作为中间层修饰铜集流体具有平衡电流密度、调节锂离子通量以及结构稳定等优点。不同维度的碳，包括零维（0D）碳纳米颗粒、一维（1D）碳纳米管/纳米纤维、二维（2D）碳纳米片和三维（3D）多孔碳，作为中间层修饰铜集流体具有各自独特的优势。

近日，西北工业大学艾伟教授课题组在国际知名期刊Advanced Energy Materials上发表题目为“Impact of morphological dimensions in carbon-based interlayers on lithium metal anode stabilization”的综述文章。该论文对不同维度碳基中间层用于稳定锂金属负极的研究进行了系统性总结, 深入探讨了碳材料作为中间层修饰铜集流体的最新进展，并对不同维度碳材料如何调节锂沉积行为进行了详细的分析。此外，作者还对该领域未来发展进行了展望，旨在为无负极锂金属电池的设计提供指导。

零维碳材料主要包括碳纳米点和碳纳米金刚石。零维碳纳米颗粒由于尺寸小，具有较大的比表面积，能够有效地降低局部电流密度，增强电极与电解液的接触并促进锂离子传输，进而确保电流分布的均匀性。此外，零维碳材料丰富的成核位点也能提供更多的反应中心，从而促进电化学反应的进行（图2）。

一维碳材料主要包括碳纳米管和碳纳米纤维。该类碳纳米材料具有一维的电子传输通道，同时可在铜集流体上形成导电网络结构，降低电阻并促进锂离子的传输和扩散，有助于实现锂的均匀沉积（图3）。

二维碳材料主要包括石墨烯和石墨片。二维碳材料具备较好的机械强度和柔性，可确保锂沉积/脱去过程中的结构稳定性。同时，二维片层结构可在铜集流体表面形成一层保护层，有利于减轻副反应、均匀锂离子通量（图4）。

三维碳材料主要包括空心碳、碳纳米球、碳纳米笼。三维多孔碳在促进锂离子扩散的同时，还能够起到抑制枝晶生长和传播的作用。与此同时，它们的中空结构能够诱导锂优先在空腔内沉积，进而减少循环过程中电极体积的波动（图5）。

论文从调控机理、解决策略、应用前景等方面对碳材料作为中间层修饰铜集流体进行了系统性总结。尽管近年来取得了振奋人心的进展，但碳材料作为中间层修饰铜集流体仍面临巨大的挑战，未来的研究重点可集中在以下方向：

（1）碳材料优化：如对材料的导电性、孔隙率、表面结构进行优化。

（2）实际应用：如开发高效、经济可行的制造工艺，在实际工作条件下对电池的安全性以及电化学稳定性进行评估；根据电动汽车需要高能量密度和快速充电能力，电网储能需要高容量和长循环寿命进行个性化定制。

（3）基本机制：加深对碳材料调控锂沉积的基本机制以及不同碳材料在抑制锂枝晶生长中的作用研究，如利用先进的表征技术（原位TEM等）与COMSOL Multiphysics模拟等，可视化监测和预测锂的沉积/脱去过程。

Impact of morphological dimensions in carbon-based interlayers on lithium metal anode stabilization

艾伟，西北工业大学柔性电子研究院教授，博士生导师，课题组主要从事电化学能源材料与技术、柔性储能器件及其智能集成研究。近年来，在Advanced Materials、Nano Letters等国际著名学术期刊上发表SCI收录论文70余篇，已授权/公开中国发明专利15项。主持国家自然科学基金面上项目、青年项目，军口国家级重点项目等国家级及省部级项目7项。担任Frontiers in Chemistry评审编委、《材料导报》“柔性电子”专刊客座编辑、国家自然科学基金函评专家、长江学者奖励计划通讯评审专家。

关婉晴 简介：关婉晴，西北工业大学柔性电子研究院2021级在读硕士研究生，导师为艾伟教授。主要研究方向为锂金属电池负极。

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