近日，我院王鸣生教授课题组在锂/钠金属负极材料的研究中取得重要进展。该系列工作首先设计了一种简单的氮掺杂多孔碳球（N-HPCS）用于构筑锂金属负极，提出了无籽成核实现锂金属纳米封装的概念，并通过大量扎实的原位透射及扫描电镜实验进行演示并解释其封装机理，再由电化学测试进一步证实由这些碳球所构筑的锂金属负极具有较高的库伦效率以及良好的循环性能。
该工作所制备的N-HPCS具有两个主要特征：（1）多孔掺氮的亲锂碳壳层，从而有利于锂离子的快速传输并充满碳壳层；（2）碳球内表面有一层致密的富氮层，从而有效引导锂在碳球内壁（而非外壁）实现优先成核。锂金属在碳壳层内壁成核后，以单晶的形式生长并填满整个碳球空腔；改变偏压后，锂金属可以几乎完全可逆脱出（包括碳壳层内锂离子）。如此高度可逆锂金属的封装可以稳定反复的进行，作者展示了在单个碳球内部反复沉积/溶出50次以上。此外，多个碳球原位实验显示，锂金属可以经由球间离子传输逐渐填充满所有碳球内腔，从而实现锂的均匀沉积。如此可有效封装大量的锂金属，避免锂枝晶的生长。作者还合成了另外两种无氮(HPCS)或无孔(N-HCS)的碳球进行对比实验，结果只有N-HPCS碳球才能实现锂金属在球内空间的沉积与溶出，说明了合理的碳球结构设计对于实现稳定纳米封装的必要性。另外，三种碳球负极的电化学测试也证明了锂金属的纳米封装对于引导锂均匀沉积、抑制锂枝晶生长及实现高循环稳定性的重要作用。
相关成果以Stable Nano‐Encapsulation of Lithium Through Seed‐Free Selective Deposition for High‐Performance Li Battery Anodes为题在能源材料的顶级期刊Advanced Energy Materials（IF=24.9）上发表，并被选做封面论文。课题组博士研究生叶伟彬为该论文第一作者，王鸣生教授为本文通讯作者。本校郑南峰/方晓亮课题组也对本工作有重要贡献。
与此相关的另一项工作以内部负载金颗粒的无定型碳管（Au@aCNTs）作为锂金属负极“host”，利用金颗粒的亲锂作用引导锂金属在碳管内腔沉积和溶出。该工作首先利用原位电子衍射揭示了金纳米颗粒在锂化和脱锂化中的两步相变过程，发现在金颗粒在诱导锂沉积的过程中，Li3Au相起到了实际的引导锂成核的作用。结合TEM原位观察，提出了锂金属“前端生长”‘模型，即锂离子沿管壁输运并沉积在锂金属的生长前沿，来解释限域条件下锂金属的生长动力学行为。此外，该工作还首次利用无定型碳管实现了对金属钠的纳米封装。以往的一维碳集流体设计基本只利用外部空隙来存储锂、钠金属，Au@aCNTs则可以充分利用其内腔空间，从而进一步大幅提升存储容量。以上结果对于研究限域条件下异质颗粒引导碱金属沉积，以及设计高性能碱金属负极都具有重要意义。相关成果以 Encapsulating lithium and sodium inside amorphous carbon nanotubes through gold-seeded growth为题在能源类重要期刊Nano Energy（IF=15.5）上发表。课题组硕士研究生兰祥娜为该论文第一作者，王鸣生教授为本文通讯作者。
详见王鸣生教授课题组网站
http://mswang.xmu.edu.cn
Advanced Energy Materials 论文及封面链接https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.201902956
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/aenm.202070031
Materials views china报道
https://www.materialsviewschina.com/2020/01/42371
Nano Energy论文链接
https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2019.104178
