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據報道， 近期，清華大學化工系張強課題組在《科學進展》及《Research》上發表系列文章《摻雜碳材料親鋰性化學誘導鋰金屬均勻形核》（Lithiophilicity Chemistry of Heteroatom-Doped Carbon to Guide Uniform Lithium Nucleation in Lithium Metal Anodes）《親鋰卟啉有機骨架調控無枝晶金屬鋰負極的均勻形核》（Favorable Lithium Nucleation on Lithiophilic Framework Porphyrin for Dendrite-Free Lithium Metal Anodes），闡釋鋰金屬負極骨架親鋰化學及材料設計領域的研究取得重要進展。

隨著電動汽車、便攜式電子器件、智能手機、電動工具等的快速發展與廣泛應用，發展高能量密度的二次電池成為了當前社會的熱點需求之一。鋰金屬負極由于擁有高理論比容量（3860 mAh g-1）和低電極電位（相對標準氫電極-3.040 V）方面的優勢，是下一代高比能電池負極材料的理想選擇之一。但是，鋰金屬負極在實際應用時面臨著鋰枝晶生長和負極體積膨脹等難題。鋰枝晶生長過程中容易生成“死鋰”，造成電極活性物質損失，不可逆地降低容量；鋰枝晶加劇電解液的分解，降低電池庫倫效率與循環壽命；更嚴重的是鋰枝晶可能刺穿電池隔膜，接觸正極，造成電池內部短路，引發安全隱患。近年來，親鋰負極骨架設計被認為是一種解決鋰金屬負極枝晶生長和體積膨脹問題的有效手段。如何理解負極骨架親鋰性的化學本質和有效設計親鋰材料是鋰金屬負極發展過程中的關鍵科學問題之一。最近，清華化工系張強課題組在金屬鋰負極親鋰性理解及材料設計方面取得了一系列原創性進展。

負極骨架表面鋰形核過程示意圖。溶劑化的鋰離子被吸附到負極骨架表面，與形核位點相互作用，發生電荷轉移，鋰離子被還原為鋰金屬。

張強研究團隊基于摻雜碳材料具有導電性好、制備容易、密度小等方面的優勢，提出將其應用于鋰金屬骨架材料的研究思路。為了理解碳材料摻雜位點親鋰性的化學本質，該研究團隊基于第一性原理計算與實驗表征相結合的方法，提出親鋰性設計準則：摻雜原子電負性、摻雜位點“局部偶極”和鋰形核過程中電荷轉移。

具體來講，雜原子與碳原子之間的電負性差異有利于形成負電中心以吸附鋰離子；“局部偶極”的形成有利于進一步增強鋰離子與形核位點之間的離子–偶極作用；電荷轉移則是降低鋰形核能壘的必要條件之一。基于此方法預測，氧摻雜在單摻雜體系中具有最好的親鋰性，并得到了鋰金屬形核實驗證實；相比于單摻雜體系，預測了O–B/P等雙摻雜體系具有更優的親鋰性。相關成果以《摻雜碳材料親鋰性化學誘導鋰金屬均勻形核》（Lithiophilicity chemistry of heteroatom-doped carbon to guide uniform lithium nucleation in lithium metal anodes）為題，發表于《科學》（Science）雜志子刊《科學進展》（Science Advances）上。

在具有不同親鋰性的骨架材料上金屬鋰形核與生長情況示意圖。（a）使用傳統的親鋰性較差的納米碳骨架材料，金屬鋰隨機形核并生長，最終發展為金屬鋰枝晶。（b）使用具有超高親鋰性的卟啉有機骨架材料，金屬鋰優勢形核并數量增多，最終實現金屬鋰的均勻沉積并抑制金屬鋰枝晶的產生。

為了在鋰金屬電池中調控金屬鋰的均勻沉積并抑制鋰枝晶的形成，該研究團隊設計了一種基于卟啉的有機骨架材料。卟啉有機骨架材料是一種由卟啉單元通過共價鍵連接成的二維層狀聚合物，具有相對明確的化學結構，可以實現親鋰位點的精準構筑與均勻分布。規則排列的卟啉結構單元由于其本征的極性與大共軛結構，表現出超高的親鋰性，在電化學條件下可以明顯的降低金屬鋰的形核過電勢并誘導金屬鋰均勻形核與沉積。在金屬鋰初期形核后，由于卟啉結構單元比金屬鋰核具有更高的親鋰能力，使得在后續的沉積過程中金屬鋰優先沉積到卟啉有機骨架表面而非金屬鋰核上，表現出鋰核數量的增多，從而實現了金屬鋰的均勻形核并有效的抑制了金屬鋰枝晶的形成。相關工作以《親鋰卟啉有機骨架調控無枝晶金屬鋰負極的均勻形核》（Favorable Lithium Nucleation on Lithiophilic Framework Porphyrin for Dendrite-Free Lithium Metal Anodes）為題，發表于中國科協與美國科學促進會合辦的國際化高水平綜合性大型科技期刊《Research》上。