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近日，中國科學院國家納米科學中心的研究人員提出一種宿主空間調制策略，采用木頭碳化和化學氣相沉積技術制備出一類具有自支撐三維結構的碳納米纖維網(wǎng)絡均勻覆蓋的低迂曲度碳質微溝道垂直陣列(CTC)，用于鋰金屬復合負極。
這種三維宿主材料模仿葉脈中的協(xié)作分工，一方面，低迂曲度碳質微溝道不僅可容納充放電過程中的體積變化，還提供長程范圍內鋰離子的均勻、直接和快速輸運通道；另一方面，均勻覆蓋的碳納米纖維網(wǎng)絡通過強的毛細作用提高電解液親和力，從而作為局部儲液池，促進鋰離子在短程范圍內的均勻分布和沉積。
基于碳質微溝道和碳納米纖維的空間協(xié)同及鋰離子輸運和分布的分工協(xié)作，CTC可承受極端的面負載和面電流密度，在不同高面負載和高電流密度下表現(xiàn)出高的鋰沉積效率及循環(huán)穩(wěn)定性，且兼具高安全特征。此項研究為高性能鋰及其他金屬負極的設計、構建及應用提供了一種新思路和新途徑。
金屬鋰具有極高的理論比容量和極低的電化學反應電位，是一種極具前景的新一代儲能電池負極材料。然而，以金屬鋰作為負極存在相互牽制的挑戰(zhàn)，包括充放電過程中的鋰枝晶生長、固態(tài)電解質界面膜不穩(wěn)定性及伴隨的巨大體積變化等，不僅降低電池效率、縮短使用壽命，還帶來不可忽視的安全隱患，長期制約其實際應用。針對上述難題，各種方案已被廣泛示范，如電解液成分的調控、人工界面膜的引入、三維集流體的構建等。然而，面向實際應用及超厚電極電池發(fā)展需求，在高面負載和高電流密度下實現(xiàn)其穩(wěn)定循環(huán)仍極具挑戰(zhàn)性。