2018年，中科大俞書宏教授課題組在Science Advances上發(fā)表文章，介紹了他們開發(fā)的仿生人工木材（Science Advances 2018, 4(8), eaat7223）。此后，他們又對人工木材進行了進一步加工，使之成為性能優(yōu)良的鋰負極材料，相關(guān)成果發(fā)表于《國家科學(xué)評論》（National Science Review）。
可是，木頭和電極是怎么聯(lián)系在一起的？
答案在于“多孔”，木材是多孔結(jié)構(gòu)，而鋰電池負極載體也需要多孔結(jié)構(gòu)，用以容納鋰金屬和提供均勻沉積的框架。
天然木材在微觀上的多孔結(jié)構(gòu)
在以金屬鋰為負極的鋰離子電池的充放電過程中，會發(fā)生枝晶生長、體積膨脹等問題。引入多孔三維框架是解決這些問題的方案之一。三維框架可以增大負極材料的比表面積，從而減小實際電流密度，使鋰金屬的沉積、脫出過程更加均勻。而良好的多孔框架應(yīng)當(dāng)具備尺寸可調(diào)、解構(gòu)穩(wěn)定，親鋰性良好等性質(zhì)。
該研究中，研究者基于仿生木材開發(fā)了微納多尺度仿生結(jié)構(gòu)框架，其基本制備過程如下圖所示，包含冰晶誘導(dǎo)自組裝、熱固化、碳化修飾等三個主要步驟。
流程示意：冰晶誘導(dǎo)自組裝、熱固化、碳化
人造木材的基本結(jié)構(gòu)在冰晶誘導(dǎo)自組裝過程中形成。通過調(diào)控冷臺初始溫度，可以控制冰晶成核與長大的程度，從而決定垂直孔道的尺寸。在后續(xù)的固化和碳化過程中，孔道尺寸會有所縮小，但其縮小比例是可以明確表征的。所以，研究者可以通過控制冷凍參數(shù)，來調(diào)控最終的孔道尺寸，實現(xiàn)了孔道尺寸的可調(diào)控性。
在碳化過程中，研究者通過高頻高壓電鍍沉積，在孔道內(nèi)壁修飾上一層均勻分布的Sn/Ni合金納米顆粒。這些納米顆粒可以作為成核點，為電極提供良好的親鋰性和誘導(dǎo)沉積效應(yīng)。
此外，研究者還以實驗方法檢驗了仿生電極的穩(wěn)定性。裝壓電池并進行一定圈數(shù)的充放電循環(huán)后，研究者將碳骨架中的鋰半數(shù)或全部脫出，發(fā)現(xiàn)孔道結(jié)構(gòu)仍然保持良好，孔道上的合金納米成核點清晰可見。這證明仿木材低曲度負極骨架具備足夠的力學(xué)強度和良好的電化學(xué)穩(wěn)定性。
從上至下：一定圈數(shù)循環(huán)后，飽鋰狀態(tài)、半鋰狀態(tài)和空鋰狀態(tài)下的孔道形貌。證明其穩(wěn)定性。
這項工作中，研究人員通過冰晶誘導(dǎo)自組裝、熱固化、碳化、電鍍和灌鋰等一系列方法，得到了具有良好尺寸可調(diào)性和微結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的仿木材低曲度高能鋰負極。
該仿生結(jié)構(gòu)在改善鋰金屬循環(huán)性能、提高穩(wěn)定性、減少極化、抑制體積膨脹等方面具有明顯效果。在該項工作中的仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計理念和親鋰性修飾的思想，有助于促進未來鋰金屬負極的推廣與應(yīng)用。
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Bio-inspired low-tortuosity carbon host for high-performance lithium-metal anode
Natl Sci Rev 2019; 6: 247-256. https://doi.org/10.1093/nsr/nwy148
