艾伟教授、杜祝祝副教授Energy Storage Materials综述：石墨烯基主体材料用于锂金属负极

文章信息

石墨烯基主体材料用于锂金属负极的研究进展

第一作者：杜祝祝

通讯作者：艾伟

单位：西安工程大学，西北工业大学

研究背景

石墨烯作为锂金属负极的主体材料受到了广泛关注。其独特的结构和性质不仅可以有效抑制锂枝晶的无序生长、维持固态电解质界面的稳定，还可以显著缓解锂的体积膨胀。此外，石墨烯基材料中的亲锂位点在锂的沉积和剥离过程中起着关键作用，影响着成核、沉积、表面离子浓度及电场分布。因此，优化石墨烯基材料的微纳结构，对于控制锂的沉积/剥离行为和提升锂金属电池的整体性能至关重要。

文章简介

近日，西安工程大学杜祝祝副教授与西北工业大学艾伟教授在国际知名期刊Energy Storage Materials上发表了题为“Advances in graphene-based hosts for lithium metal anodes”的综述文章。该文系统综述了石墨烯基主体材料在提高锂金属性能方面的研究进展。首先，对石墨烯基主体材料的锂化方法进行了详细分析；随后，系统阐述了石墨烯基主体材料的结构调控以及组分优化策略，包括石墨烯材料的纳米化、杂原子掺杂以及与其他物质复合等方面。最后，强调了石墨烯基主体材料在实用化锂金属电池中所面临的机遇和挑战。

图1. 锂金属负极用石墨烯基主体材料的类别

本文要点

要点一：石墨烯基主体材料的锂化方法

石墨烯基主体材料的锂化方法主要分为三种，即熔融灌锂、电沉积和机械辊压。熔融灌锂具有高效锂化的优势，但能耗较高，且对主体材料有严格的要求，不适合大规模应用。相比之下，电沉积更为安全简便，符合工业生产，但沉积锂的形貌较难控制。机械辊压可以避免高温或复杂的电化学过程，展现出巨大的应用前景。

图2. 石墨烯基主体材料用于锂金属负极的锂化方法

要点二：石墨烯主体材料的结构纳米化

石墨烯的结构和形貌对锂的传输和沉积具有重要影响。通过增大比表面积和增加结构稳定性，可以优化锂离子在石墨烯基材料中的沉积方向；此外，充分利用纳米材料的活性空间，有助于实现更平滑的锂沉积形态和更稳定的循环寿命。基于这些考虑，该文系统综述了粉末、薄膜状和泡沫状石墨烯基主体材料在锂金属性能提升方面的研究进展。

要点三：石墨烯主体材料的杂原子掺杂

石墨烯本身并不具备良好的亲锂性，导致锂的成核位点分散且不均匀，容易形成锂枝晶，从而影响电池的性能和安全性。通过在材料晶格中引入杂原子，改变原有化学环境，降低局部电流密度，可以有效调节锂的成核和沉积行为，减少枝晶的形成。该文系统回顾了在石墨烯基主体材料中引入杂原子（如N、S、F和单金属原子等）用于改善锂金属负极性能的研究进展。

要点四：石墨烯基复合物作为主体材料

石墨烯基复合材料作为主体材料具有以下优势：石墨烯能够有效缓解长时间循环过程中电极体积的变化，而纳米活性物种则能够提供成核位点。然而，在提高亲锂性和成核位点数量的同时，如何确保电极具备出色的电导率，以及减少“死锂”的产生，是当前工作的难点。该文讨论了石墨烯与碳、聚合物、金属或金属化合物等材料的复合，详细介绍了材料结构与锂金属负极性能的内在关联。

要点五：结论与展望

通过对石墨烯基主体材料进行结构工程设计、杂原子掺杂以及与其他活性材料复合，可以有效提升锂金属电池的循环性能。然而，锂金属电池的商业化过程仍面临一些挑战。例如，非活性物质会增加电池的重量，也容易在主体材料内部产生空腔。因此，提高锂/碳比、增加正极负载量、使用贫电解液、降低N/P比等策略对于优化锂金属电池性能至关重要。后续研究应重点关注以下几个方面：1）先进的制备方法，以实现对主体材料孔结构和缺陷密度等的精确调控；2）深入的机理研究，包括对锂的初始成核过程研究，更深入地了解石墨烯基主体材料的锂枝晶生长机制以及抑制策略；3）实用化探索，例如低成本、大规模制备石墨烯基材料、解决浆料制备复杂问题，以及在极端条件下（高温、大倍率）保持循环稳定性和解决电池安全问题等。

文章链接

Advances in graphene-based hosts for lithium metal anodes

https://sciencedirect.com/science/article/pii/S2405829724000199#sec0010

通讯作者简介

艾伟教授简介：西北工业大学柔性电子研究院教授、博导，主要从事电化学能源材料与技术、柔性储能器件及其智能集成研究。以第一和通讯作者在Advanced Materials、Nano Letters等国际著名学术期刊上发表SCI收录论文50余篇，论文总引用4000余次，H因子34。已授权/公开中国发明专利20项。主持国家自然科学基金面上项目、青年项目，军口国家级重点项目等国家级及省部级项目7项。担任Frontiers in Chemistry编委，《材料导报》“柔性电子”专刊客座编辑。

第 一 作 者 简 介

杜祝祝，2019年博士毕业于南京工业大学，师从黄维院士，随后在西北工业大学从事博士后研究。2023年加入西安工程大学材料工程学院，任副教授。目前以一作/通讯作者身份在Advanced Materials、Advanced Science、Energy Storage Materials等学术刊物上发表论文20余篇。