研究背景
随着电动汽车和智能设备的飞速发展，对高能量密度电池的需求日益增长。锂金属因其极高的理论比容量（3860 mAh/g）、低密度（0.59 g/cm³）和最低的负还原电位（-3.040 V vs. 标准氢电极），成为下一代高能量密度锂金属电池（LiMBs）的理想负极材料。然而，锂金属的实际应用受到枝晶生长、体积变化巨大和严重副反应等问题的严重阻碍。这些问题不仅限制了电池的循环稳定性，还带来了安全隐患。因此，开发新型锂金属负极材料，实现均匀锂沉积，抑制枝晶生长，对于推动锂金属电池的商业化进程至关重要。在这一背景下，研究人员一直在探索各种策略来解决锂金属负极的问题。例如，通过稳定固体电解质界面（SEI）层、在负极表面涂覆人工层、使用多孔宿主材料、修改电解液等方法来调控锂的沉积行为。尽管这些方法在一定程度上改善了锂金属负极的性能，但仍然存在一些挑战，如多孔宿主材料与锂的亲和力不足，以及涂层材料不贡献容量等问题。因此，开发新型的多孔宿主材料，既能提供均匀的锂成核位点，又能保持高电导率和良好的化学稳定性，成为了研究的热点。
成果简介
在这项研究中，来自中科院金属所李峰教授团队报道了一种新型的锂金属负极，该负极由具有内置锂亲和位点的二维（2D）共轭微孔聚合物（Li-CMP）和还原氧化石墨烯（rGO）组成（Li-CMP@rGO）。这种结构设计使得rGO能够促进电荷转移，而功能化的CMP则在微孔内提供锂成核位点，从而有效防止了枝晶的生长。实验结果表明，Li-CMP@rGO负极能够在6 mA cm⁻²的电流密度下循环1000小时，具有2 mAh cm⁻²的镀锂容量，且库仑效率高达98.4%，过电位仅为28 mV。在与LiFePO₄正极组成的全电池中，Li-CMP@rGO负极也展现出了良好的循环稳定性。
图文导读
图1 展示了Li-CMP@rGO的合成及随后的锂功能化过程，以及在Li-CMP@rGO和CMP@rGO上锂沉积的示意图。
图2 通过扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）和原子力显微镜（AFM）对rGO和Li-CMP@rGO的结构进行了表征。
图3 比较了不同电极的电化学性能，包括不同电极的Nyquist图、电压曲线和对称电池在不同电流密度下的电压滞后。
图4 展示了不同电极在1 mA cm⁻²电流密度和2 mAh cm⁻²镀锂/剥离容量下的电压曲线。
图5 展示了在镀锂过程中不同电极上的锂沉积情况的光学图像，以及CMP@rGO和Li-CMP@rGO电极在镀锂前后的扫描电子显微镜（SEM）图像。
图6 展示了通过密度泛函理论（DFT）计算得到的Li离子与CMP和Li-CMP之间的相互作用模拟结果。
小结
该研究通过将具有高锂亲和性的2D共轭微孔聚合物与还原氧化石墨烯相结合，开发出了一种新型的锂金属负极材料。这种材料不仅提供了均匀的锂成核位点，还保持了高电导率和良好的化学稳定性，从而实现了均匀的锂沉积和抑制了枝晶的生长。Li-CMP@rGO负极在高电流密度下展现出了优异的电化学性能，包括低过电位、高库仑效率和长循环稳定性。此外，通过第一性原理计算，研究人员进一步证实了Li-CMP@rGO对Li离子的强相互作用，这有助于在微孔内捕获Li离子，从而减缓枝晶的形成。这项研究不仅为设计和制备新型锂亲和宿主材料提供了新的思路，也为开发长寿命锂金属负极提供了重要的科学依据。随着进一步的研究和优化，这种新型材料有望在未来的高能量密度电池中得到广泛应用。
文献：https://doi.org/10.1002/smll.202406248
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