近日，南方科技大学机械与能源工程系曾林副教授课题组在高性能锂金属负极的设计与制备方面取得研究进展，系列成果以“Dual Vertically Aligned Electrode-Inspired High-Capacity Lithium Batteries”和“Nitrogen, Oxygen-codoped Vertical Graphene Arrays Coated 3D Flexible Carbon Fibers with High Silicon Content as an Ultrastable Anode for Superior Lithium Storage”为题发表在国际期刊Advanced Science。

锂金属负极因其超高的理论比容量 (3860 mAh g^-1)、极低的电化学电位(-3.040 V与标准氢电极相比)被认为是下一代可充电电池的有潜力的负极材料。然而，它的实际应用受到一些固有缺陷的阻碍，包括沉积过程中的枝晶形成、锂金属界面的不稳定性以及重复循环过程中的无限体积波动，导致固体电解质界面膜破裂。锂金属的这种不可控枝晶生长会导致电池短路、循环库仑效率低、循环寿命差和安全隐患，严重阻碍了锂金属的应用，尤其是大电流和高面容量下的锂金属性能有限，因此，亟待寻求一种有效策略来解决这一难题。

研究团队提出了一种具有高导电性和机械稳定性的双垂直取向电极设计，以开发无枝晶LMA和高容量阴极。在本设计中，在多通道碳框架上生长了具有丰富氧和氮掺杂的三维垂直石墨烯纳米墙(VGWs@MCF)，作为无枝晶LMA的高机械Li主体。同时，通过简易的真空过滤方法制备出垂直取向LiFePO4和LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2自支撑正极，以促进Li+传输并降低Li+扩散电阻，从而最小化阳极和阴极中Li+的传输路径，提高面容量和倍率性能。

南科大机械与能源工程系2021级博士生慕永彪为本文第一作者。曾林为论文通讯作者，该工作的计算模拟部分得到南科大林蒙助理教授和机械系2020级陈瑜竹博士的支持。该工作得到深圳市基础研究面上项目、深圳市先进储能技术重点实验室（筹建）及南方科技大学检测中心的支持。

锂离子电池具有能量密度高、工作电压高、资源丰富、循环寿命长等优点，是能量储存和转换的重要手段。硅由于其超高理论比容量、嵌入/脱出锂的电化学电位低、丰度和环境友好性等优势被认为是下一代锂离子电池最有前途的负极材料之一。然而硅负极在电化学循环过程中体积发生巨大变化，导致硅负极粉化严重，固体电解质界面形成不稳定，电接触丢失，从而带来容量衰减快，倍率性能差，循环寿命有限等问题，极大限制了硅负极的实际应用。最近报道了多种硅碳复合纳米结构，如硅-非晶碳、硅-石墨烯、硅-碳纳米管、硅-石墨和硅-碳纳米纤维。尽管电化学性能有所提高，但大多数硅碳负极的合成路线和手段仍然面临着稳定性、均匀性及成本等方面的挑战。

研究人员设计合成了一种氮氧共掺杂垂直石墨烯阵列包覆三维柔性高硅纳米纤维柔性自支撑电极，结合静电纺丝和化学气相沉积工艺，以解决纯硅负极体积膨胀为目标，将碳纳米纤维的一维结构与二维石墨烯片引入纳米硅负极中，实现双重包覆，构建了三维连续导电网络，从而大幅提升电极导电性、结构稳定性和电化学性能。该工作通过调控电纺工艺实现了高硅含量（＞90%）复合硅碳纤维，双重碳包覆有效缓解硅颗粒体积膨胀，实现大电流充放电及长循环稳定性。

鉴于柔性VGAs@Si@CNFs电极具有良好的机械稳定性和优异的储锂性能，研究人员在本工作中制作了柔性锂离子软包电池以验证其实际的应用潜力。采用VGAs@Si@CNFs膜为负极，钴酸锂为正极，研究人员组装的柔性锂离子电池展示出稳定的开路电压，稳定的充放电容量和循环稳定性，并结合不同弯曲程度下的SEM照片证明了其优良的柔性和机械强度。该柔性软包电池能够点亮自制的LED灯，并维持超过24小时，进一步证明了本研究所设计合成的复合硅负极材料的优越性和应用的巨大潜力。

南方科技大学机械与能源工程系2021级博士生慕永彪、研究助理教授韩美胜和2019级博士生吴不可为论文共同第一作者，曾林和万佳雨副教授为论文通讯作者，该项目由国家自然科学基金、广东省自然科学基金等资助。

论文链接1：

https://doi.org/10.1002/advs.202203321

论文链接2：

https://doi.org/10.1002/advs.202104685

供稿：机械与能源工程系