聚焦无枝晶生长的负极设计

下一代高能量密度电池有望以锂金属作为负极，然而金属锂内在问题，尤其是枝晶生长，一直是其实际应用的障碍。

为了解决这一问题，美国斯坦福大学的崔屹教授和郑雪莉等研究人员专注于分子组合结构设计，旨在开发无枝晶生长的负极结构。他们成功地利用氢取代石墨炔（HGDY）气凝胶作为宿主材料，创造了一种备受期待的锂金属复合负极（Li@HGDY）。

HGDY气凝胶具有优良的亲锂性和分层孔隙，有助于促进熔融锂的注入，降低HGDY宿主内局部电流密度，并且其独特的分子结构为锂离子输运提供了便捷通道。

通过有效调节HGDY结构内的电子和离子传输，实现了均匀的锂沉积和剥离过程。实验结果显示，Li@HGDY对称电池表现出低过电位和出色的循环稳定性。在0.4C条件下，Li@HGDY||磷酸铁锂（LFP）全电池连续循环170次后，保持了98.1%的容量保持率。这项研究为设计高容量和持久的锂金属负极提供了创新思路。

相关研究题为“Lithiophilic Hydrogen-Substituted Graphdiyne Aerogels with Ionically Conductive Channels for High-Performance Lithium Metal Batteries”，已在《Nano Letters》杂志上发表。

研究背景：

锂金属一直被认为是推动高能量密度电池发展的有前景的阳极材料。然而，金属锂本身存在的固有问题，尤其是树枝状晶体的生长，一直以来都限制了其实际应用。

研究目的：

本研究旨在通过分子结构设计，研发一种不会形成树枝状晶体的新型锂金属阳极。

研究创新点：

研究团队采用氢取代的石墨烯气凝胶（HGDY）作为主体材料，成功地制备了一种前景广阔的锂复合阳极（Li@HGDY）。HGDY气凝胶具有亲锂性和分层孔隙结构，有助于推动熔融态锂的注入，并在三维HGDY主体内降低局部电流密度。

研究方法：

所有用于合成氢取代石墨烯气凝胶（HGDY）的试剂，如1,3,5-三乙炔基苯（TEB）、氯化铜（I）（CuCl）和吡啶，均从商业供应商（Sigma-Aldrich）购买，未经过进一步纯化处理。

研究结论：

**HGDY的独特分子结构为锂离子传输提供了良好的通道。**通过同时调节电子和离子在HGDY主体内的传输，实现了锂剥离/镀层的均匀分布。在对称电池中，Li@HGDY表现出低的过电势和稳定的循环性能。经过170次0.4 C速率下的充放电循环测试，Li@HGDY||磷酸铁锂全电池容量保持率达到98.1%。

应用前景：

这项研究为设计高容量、长寿命的锂金属阳极打开了新的研究思路，具有广阔的应用前景。

审核编辑：刘清