鋰金屬負極在下一代高能量密度電池中具有巨大的潛力。然而，鋰金屬電池充放電過程中的低庫侖效率（CE）和鋰枝晶生長導致電池迴圈壽命短，阻礙了其實際應用。近年來，人們發現鋰金屬電池失效的主要原因是庫倫效率低、活性鋰消耗或電解質耗盡，而低庫倫效率主要是由“死”鋰形成引起的，這與金屬鋰沉積形態有關。因此，研究控制鋰離子電鍍/剝離行為、減少非活性鋰沉積的方法對鋰金屬電池的實際應用具有重要意義。
上海交通大學和加拿大阿爾伯塔大學的科研人員透過聚合物介面自組裝和熱解工藝在銅箔上構建了氮氧共摻雜垂直碳奈米片陣列（NOCA@Cu），作為提高庫侖效率和抑制鋰枝晶生長的有效載體。得益於大量的垂直多孔通道和豐富的親鋰雜原子摻雜，三維結構NOCA@Cu在碳酸鹽電解液和乙醚電解液中，能以可控的方式引導鋰的成核和生長，從而無鋰枝晶沉積，材料具有高庫倫效率和長迴圈壽命。有限元模擬進一步揭示了垂直碳陣列的結構功能，它不僅指導了有限空間的奈米陣列中的鋰離子沉積，而且使整個三維電極中離子濃度和電場均勻分佈。相關論文以題目為“N，O-Codoped Carbon Nanosheet Array Enabling Stable Lithium Metal Anode”發表在Advanced Functional Materials上。
原文連結：
https：//doi-org。fjny。80599。net/10。1002/adfm。202102354
在本文中，作者透過聚合物介面自組裝和碳化在商用銅箔集流體上大面積塗覆聚合物衍生的氮氧共摻雜垂直排列的碳奈米片陣列，其有效三維結構能得到安全和無鋰枝晶的鋰金屬電池。研究發現，銅表面聚合物層的不同取向模式（垂直或水平）對雜原子摻雜和衍生碳的拓撲缺陷有很大的影響。利用無粘結劑的自支撐分級電極、垂直多孔通道和親鋰氮/氧摻雜劑，製備的NOCA@Cu電極中的碳奈米管陣列在有限的空間內能有效承載金屬鋰，在腐蝕性碳酸鹽電解液中，庫倫效率高達91-93%，壽命長達600次迴圈；在乙醚電解液中，庫倫效率高達98。5%，穩定迴圈達1300小時，具有優異的電化學效能，遠優於水平碳膜鍍銅和原始銅集流體。動態有限元模擬表明，氮氧共摻雜垂直碳奈米片陣列不僅引導金屬鋰在有限通道中的成核和生長，使其均勻沉積，而且使整個三維電極的離子分佈和電場均勻化，實現了金屬鋰的高度可逆電鍍/剝離過程。
此外，銅箔氮氧共摻雜垂直碳奈米片陣列以金屬鋰為負極，與商用正極（LiFePO4）匹配使用，組裝成全電池，電池表現出高容量和穩定的迴圈效能，使金屬鋰的壽命超過400次迴圈，容量保持率達到100%，庫倫效率接近100%，超過了純銅基體的金屬鋰負極的壽命。研究結果表明，增加垂直碳陣列的高度可以在更高的電流下獲得更穩定的迴圈效能。
NOCA@Cu基體因成本低、可規模化和效率高被認為是一種很有前途的鋰金屬電池負極材料，這種在銅箔上構建垂直碳奈米片陣列的方法也可應用於其他金屬電池系統，為構建低成本聚合物衍生的三維碳負極向金屬電池實際應用方向發展開闢了新的途徑。（文：李澍）
圖1NOCA@Cu的合成與表徵
圖2碳酸鹽或乙醚電解液中不同基體上金屬鋰的電鍍/剝離行為
圖3金屬鋰沉積形態
圖4鋰金屬電池的金屬鋰形態、鋰離子和電場模擬
圖5金屬鋰基全電池的電化學效能
