福州大学郑云教授/张久俊院士 AFM：用于保护液态和固态锂电池锂金属负极的先进聚合物材料

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金属锂具有超高的理论容量（3860 mAh g⁻¹）和极低的氧化还原电位（−3.04 V vs. 标准氢电极），被认为是在高能可充电电池中替代石墨负极的终极负极材料。然而，由于锂金属负极的不稳定性和高反应性，相应的锂金属电池面临着安全性低、循环寿命短等问题，严重制约了其大规模商业化。大量研究表明，利用多尺度纤维素为基本材料构建电池的关键组件，是稳定锂金属负极的有效策略。

近日，福州大学郑云教授和张久俊院士课题组对多尺度纤维素材料（包括微米纤维素（MC）和纳米纤维素（NC））在锂金属电池各组件中稳定锂金属负极的机制进行了深入总结分析。与此同时，对该领域的主要挑战和发展前景进行了展望。该文章以“Advanced Polymer Materials for Protecting Lithium Metal Anodes of Liquid-State and Solid-State Lithium Batteries”为题发表于《Advanced Functional Materials》期刊上。福州大学材料科学与工程学院/新能源材料与工程研究院2023级博士生李政蒿为本文第一作者，郑云教授、颜蔚教授、张久俊院士为本文的通讯作者。

考虑到多尺度纤维素材料结构的差异性及表面基团的多样性，锂金属负极的稳定机制尚不清楚，相关问题的研究和梳理是发展高性能纤维素基锂金属电池的基础和关键。针对以上问题，本文全面总结了多尺度纤维素材料（包括微米纤维素（MC）和纳米纤维素（NC））在锂金属电池各组件中稳定锂金属负极的最新进展（图1）。与此同时，对该领域的主要挑战和发展前景进行了展望（图2）。

图1 先进纤维素材料在稳定锂金属负极中的应用

作者认为，尽管在稳定LMBs方面已经取得显著进展，但目前多尺度纤维素材料的技术成熟度仍未达到实际应用或商业化的标准。在从理论到实践的转化过程中，面临着诸多挑战。例如，锂金属负极（LMAs）在实际操作条件下的反应机制和材料行为还未被完全揭示，长期使用中的稳定性问题也尚未得到全面解决，而且在更大规模应用中的技术可行性还有待提高。针对这些挑战，本文提出了以下建议：

（1）深入探究与纤维素相关的LMA稳定机制；

（2）通过开发新型材料或优化纤维素结构，增强电解质与LMA之间的界面稳定性；

（3）提升纤维素基组分在极端温度条件下的稳定性，以适应LMBs的需求；

（4）提高纤维素基LMBs的经济和技术可行性。

图2 多尺度纤维素材料稳定锂金属负极研究中的挑战与展望

作者简介：

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李政蒿，福州大学材料科学与工程学院/新能源材料与工程研究院2023级博士生，师从张久俊院士和郑云教授，主要研究方向为固态锂金属电池。

郑云教授简介：教授，博士生导师，福建省“闽江学者”特聘教授，目前就职于福州大学材料科学与工程学院、新能源材料与工程研究院，担任新能源材料与工程研究院党支部书记。2019年博士毕业于清华大学核能与新能源技术研究院，随后加入加拿大滑铁卢大学化学工程系从事博士后研究，2023年正式入职福州大学。郑云教授长期从事固态电化学能源材料方面的研究工作，重点涉及柔性复合固态锂金属电池的研发。目前共发表研究论文70多篇，其中以第一作者或通讯作者（含共同）在Chem. Soc. Rev., Adv. Mater., Joule, PNAS, Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., Adv. Sci., Small, Nano Energy等期刊上发表论文30多篇，撰写Electrochemical energy storge and conversion系列丛书“Carbon dioxide reduction through advanced conversion and utilization technologies (CRC Press)”等学术专著2本，申请/授权专利6项，主持/参与国家级科研项目多项。担任国际电化学能源科学院（IAOEES）青年理事，Advanced Powder Materials、Carbon Neutrality、Frontiers in Energy等领域知名期刊青年编委或客座编辑。个人邮箱：[e-mail]

张久俊教授简介：中国工程院外籍院士、加拿大皇家科学院院士、加拿大工程院院士、加拿大工程研究院院士、国际电化学学会会士、英国皇家化学会会士、国际先进材料协会会士、国际电化学能源科学院（IAOEES）主席、中国内燃机学会常务理事兼燃料电池发动机分会主任委员，现任福州大学和上海大学教授/博士生导师。张教授长期从事电化学能源存储和转换及其材料的研究和产业化应用开发，包括燃料电池、高比能二次电池、超级电容器、CO₂电化学还原和水电解等。至今已发表论文及科技报告700余篇，编著书28本，书章节47篇，被引用81700多次（H-Index为125）。目前是Springer-nature《Electrochemical Energy Reviews》SCI期刊主编、CRC Press《Electrochemical Energy Storage and Conversion》丛书主编、KeAi Publishing《Green Energy & Environment》SCI期刊副主编、中国工程院院刊《Frontiers In Energy》期刊副主编、中国化学化工出版社大型丛书《电化学能源储存和转换》及《氢能技术》主编及多个国际期刊的编委。

原文链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202404427

研究团队与平台介绍：

为了响应和对接国家“碳达峰碳中和”重要战略决策，由张久俊院士领衔创建福州大学新能源材料与工程研究院（张久俊院士团队）。研究院面向新能源产业，研究前沿理论和先进技术，开发核心材料与关键部件，集成新能源系统与制备新能源装置，培养新能源领域的工程技术与运营管理人才等。研究院下设5个中心，其中氢能和燃料电池中心，主要开展电解水和燃料电池中的核心材料、高性能催化剂以及关键部件MEA膜的研发；先进储能和动力电池中心，主要开展下一代高能量密度电池，包括固态锂基电池和钠基电池等的研发和产业化；CO₂捕获和还原中心，主要开展CO₂电化学还原低碳燃料生产系统的催化剂以及装置的开发；原位技术中心，主要依托原位测试技术为新能源材料与工程研究提供技术保障与支撑；能源AI中心，主要通过计算机建模和机器学习技术，实现新能源材料与器件的快速筛选和结构设计，以及相关机理探究和过程优化。

研究院网站：

https://newenergy.fzu.edu.cn/index.htm

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