中科大季恒星课题组：基于高尔顿板模型的离子再分布促使金属锂均匀沉积

中国科学技术大学季恒星教授课题组受高尔顿板模型演示的下落小球正态分布现象启发，利用有机框架化合物COF-LZU1实现锂离子在金属锂表面的均匀分布，促进金属锂的均匀沉积。

金属锂具有极高的理论容量（3860 mAh g^-1）和最低的还原电位（-3.04 V vs. SHE），是实现高能量密度锂电池的关键负极材料。然而，金属锂容易发生不均匀沉积形成枝晶，这是导致金属锂负极循环寿命和可逆性降低并产生安全隐患的重要因素。锂离子在金属锂表面的浓度分布是决定锂枝晶形成难易程度的关键之一，而商业化隔膜的多孔结构会在亚微米尺度上造成锂离子的不均匀分布。

高尔顿板是19世纪英国学者高尔顿爵士发明的用于验证中心极限定理的钉板：从一个固定出口下落的小球遇上一系列排列成三角形的“钉子”后，钉板底部收集到的小球的数量接近正态分布。中国科学技术大学季恒星教授课题组受此原理启发，利用有机共价化合物COF-LZU1形成的亚纳米有序孔道模拟高尔顿钉板，实现对迁移到金属锂表面的锂离子（模拟小球）的均匀分布；同时，COF-LZU1的亚纳米孔道限制了阴离子迁移，使锂离子迁移数提高约50%。这两种效应共同促进金属锂的均匀沉积（见下图）。

Cu || Li半电池、Li || Li对称电池和LiFePO₄ || Li全电池测试发现：在上述效应的作用下金属锂负极可在循环1000小时（500次）后仍保持均匀平坦的电极表面，获得电池循环稳定性和可逆性的显著提升。基于这一原理，可选用多种纳米多孔材料，使不同离子的浓度均匀分布，应用于包括能量存储或转换器件在内的多种器件。论文第一作者为中国科学技术大学博士研究生谢焕玉，通讯作者为季恒星教授。

该研究结果近期在线发表于SCIENCE CHINA Chemistry。详见：Xie H, Hao Q, Jin H, Xie S, Sun Z, Ye Y, Zhang C, Wang D, Ji H, Wan L-J. Redistribution of Li-ions using covalent organic frameworks towards dendrite-free lithium anodes: a mechanism based on a Galton Board. Sci. China Chem., 2020, DOI:10.1007/s11426-020-9796-9.

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作者简介

季恒星，中国科学技术大学应用化学系教授，博士生导师，成立独立课题组后主要围绕锂离子电池中的电极材料电化学展开研究，聚焦非嵌入型电极反应中的化学、结构变化，产生电极极化的关键因素，及其对电化学储能性能的影响。2015年至今在J. Am. Chem. Soc.（3篇）、Angew. Chem. Int. Ed.（3篇）、Natl. Sci. Rev. (1篇)、Adv. Mater.（6篇）等化学和材料领域期刊以（共同）通讯作者发表系列研究结果，包括5篇ESI高被引论文，SCI他引7300余次，H因子43；实现石墨烯导电浆料的规模化制备及其在商业化锂离子电池中的批量应用。