神奇！锂电极，“木头”造

本文经授权转载自： 中国科学杂志社

2018年，中科大俞书宏教授课题组在Science Advances上发表文章，介绍了他们开发的仿生人工木材（Science Advances 2018, 4(8), eaat7223）。此后，他们又对人工木材进行了进一步加工，使之成为性能优良的锂负极材料，相关成果发表于《国家科学评论》（National Science Review）。

可是，木头和电极是怎么联系在一起的？

答案在于“多孔”，木材是多孔结构，而锂电池负极载体也需要多孔结构，用以容纳锂金属和提供均匀沉积的框架。

天然木材在微观上的多孔结构

在以金属锂为负极的锂离子电池的充放电过程中，会发生枝晶生长、体积膨胀等问题。引入多孔三维框架是解决这些问题的方案之一。三维框架可以增大负极材料的比表面积，从而减小实际电流密度，使锂金属的沉积、脱出过程更加均匀。而良好的多孔框架应当具备尺寸可调、解构稳定，亲锂性良好等性质。

该研究中，研究者基于仿生木材开发了微纳多尺度仿生结构框架，其基本制备过程如下图所示，包含冰晶诱导自组装、热固化、碳化修饰等三个主要步骤。

流程示意：冰晶诱导自组装、热固化、碳化

人造木材的基本结构在冰晶诱导自组装过程中形成。通过调控冷台初始温度，可以控制冰晶成核与长大的程度，从而决定垂直孔道的尺寸。在后续的固化和碳化过程中，孔道尺寸会有所缩小，但其缩小比例是可以明确表征的。所以，研究者可以通过控制冷冻参数，来调控最终的孔道尺寸，实现了孔道尺寸的可调控性。

在碳化过程中，研究者通过高频高压电镀沉积，在孔道内壁修饰上一层均匀分布的Sn/Ni合金纳米颗粒。这些纳米颗粒可以作为成核点，为电极提供良好的亲锂性和诱导沉积效应。

此外，研究者还以实验方法检验了仿生电极的稳定性。装压电池并进行一定圈数的充放电循环后，研究者将碳骨架中的锂半数或全部脱出，发现孔道结构仍然保持良好，孔道上的合金纳米成核点清晰可见。这证明仿木材低曲度负极骨架具备足够的力学强度和良好的电化学稳定性。

从上至下：一定圈数循环后，饱锂状态、半锂状态和空锂状态下的孔道形貌。证明其稳定性。

这项工作中，研究人员通过冰晶诱导自组装、热固化、碳化、电镀和灌锂等一系列方法，得到了具有良好尺寸可调性和微结构稳定性的仿木材低曲度高能锂负极。

锂负极制备过程中的灌锂

该仿生结构在改善锂金属循环性能、提高稳定性、减少极化、抑制体积膨胀等方面具有明显效果。在该项工作中的仿生结构设计理念和亲锂性修饰的思想，有助于促进未来锂金属负极的推广与应用。

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Bio-inspired low-tortuosity carbon host for high-performance lithium-metal anode

Natl Sci Rev 2019; 6: 247-256. https://doi.org/10.1093/nsr/nwy148

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