石墨，亲锂还是疏锂？| NSR研究论文

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锂离子电池的负极材料有哪些？在多种负极材料中，金属锂具有超高的理论容量（3861 mAh/g），在近年来备受关注，但存在循环过程中体积变化大等缺陷。另一方面，作为碳基负极材料的代表，石墨材料具有良好的循环稳定性和较低的工作电位。

将金属锂与石墨材料进行复合，制备金属锂-石墨复合材料是解决金属锂材料缺陷、提高锂电池能量密度的可能途径。

然而，大量的研究表明金属锂和碳材料的润湿性差，在进行复合之前，需要对碳材料进行表面亲锂性处理。因此，在将金属锂和石墨二者进行复合之前，我们必须首先回答一个基本问题：石墨到底是亲锂的还是疏锂的？二者到底能否复合？

为回答这些疑问，同济大学的黄云辉教授、罗巍研究员和MIT的李巨教授进行合作，系统研究了不同类型石墨类碳材料与金属锂的浸润性，相关结果以“Is Graphite Lithiophobic or Lithophilic?”为题发表于《国家科学评论》（National Science Review, NSR）。博士生段建、博士后郑玉恒为共同第一作者。

首先，作者测定了高定向热解石墨（highly oriented pyrolytic graphite, HOPG）的锂浸润性质，发现熔融态金属锂在HOPG表面的接触角为73°，表现出良好的亲和性。基于第一性原理的仿真分析也证实，锂和石墨具有良好的亲和性。

金属锂和高定向热解石墨（HOPG）的接触角实验。

然而，在多孔石墨纸（porous carbon paper, PCP）上，金属锂的接触角高达到142°，展现出不浸润的状态。通过XPS分析，作者发现相比于HOPG，PCP表面有大量的含氧官能团。这些表面杂质会对锂和PCP的接触线（contact line）起到钉扎作用，导致PCP表现出不亲锂特性。

金属锂和多孔碳纸（PCP）的接触角实验。

为进一步论证这一设想，作者对PCP进行锂化，以降低PCP的电化学电势并消除表面钉扎点。结果，锂化石墨纸（lithiated PCP）与金属锂表现出优异的亲和性，并且由于其多孔的特性，金属锂在接触lithiated PCP后迅速穿过，最终呈现的接触角为52°。

金属锂和锂化多孔碳纸（lithiated PCP）的接触角实验。

更进一步，作者通过商用石墨粉末与熔融态金属锂的润湿性实验来佐证这一结论，发现锂化石墨粉末可以均匀分布在锂金属中。

利用这一发现，作者成功调控了石墨纸的亲锂性，并制备出大片的锂-石墨复合负极材料。在与三元正极或硫/碳正极搭配的全电池中，该复合负极材料均表现出较好的循环稳定性。

该工作系统研究了金属锂和石墨类碳材料的浸润性，还为构筑锂碳复合负极材料提供了一个全新的思路，助力高能量锂电池开发。

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