石墨親鋰還是疏鋰？解決它，鋰電池有救了

　　自上世紀90年代被商業化以來，由于其高能量密度以及長循環壽命，鋰離子電池被廣泛應用于便攜式電子設備、電動汽車等領域。近年來，為了進一步提高鋰電池的能量密度，金屬鋰負極由于其超高的理論容量（3861 mAh/g）再一次引起了全球科研工作者的廣泛關注和強烈興趣。為應對金屬鋰負極循環過程中所存在的體積變化大等問題，構筑金屬鋰基復合材料被認為是一種有效的解決策略。碳材料具有較高的導電率和較輕的密度，常被用于與金屬鋰進行復合。然而，大量的研究表明金屬鋰和碳材料的潤濕性差，在進行復合之前，需要對碳材料進行表面親鋰性處理。

　　石墨作為鋰離子電池最常用的碳基負極材料，其與金屬鋰的潤濕性對構筑金屬鋰-石墨復合負極極具指導意義。然而，石墨到底是親鋰的還是疏鋰的？為回答這個疑問，來自同濟大學的黃云輝教授、羅巍研究員和MIT的李巨教授進行合作，系統地研究了不同類型的石墨類碳材料與金屬鋰的浸潤性，在《國家科學評論》(National Science Review, NSR) 發表研究論文 “Is Graphite Lithiophobic or Lithophilic?”。

金屬鋰和石墨類材料的接觸角實驗：(A-C) 高定向熱解石墨 (HOPG)；(D-F) 多孔碳紙 (PCP)；(G-I) 鋰化多孔碳紙 

　　首先，采用高定向熱解石墨 (highly oriented pyrolytic graphite, HOPG) 作為測試樣品，作者發現熔融態金屬鋰在HOPG表面的接觸角為73°，表現出良好的親和性。采用第一性原理對鋰和石墨的親和性進行仿真分析，計算結果也證實鋰和石墨具有良好的親和性。然而，金屬鋰在多孔石墨紙 (porous carbon paper, PCP)上的接觸角高達到142°，展現出不浸潤的狀態。通過XPS分析，作者發現相比于HOPG，PCP表面有大量的含氧官能團。這些表面雜質會對鋰和PCP的接觸線（contact line）起到釘扎作用，導致PCP表現出不親鋰特性。

　　為進一步論證這一設想，作者通過對PCP進行鋰化來降低PCP的電化學電勢并消除表面釘扎點。實驗結果表明，鋰化石墨紙 (lithiated PCP) 與金屬鋰表現出優異的親和性，并且由于其多孔的特性，金屬鋰在接觸 lithiated PCP后迅速穿過，最終呈現的接觸角為52°。作者進一步通過商用石墨粉末與熔融態金屬鋰的潤濕性實驗來佐證這一結論，鋰化石墨粉末可均勻分布在鋰金屬中。利用這一發現，作者成功地調控了石墨紙的親鋰性并制備出大片的鋰-石墨復合負極材料，其與三元正極或硫/碳正極搭配的全電池中均表現出較好的循環穩定性。該工作不僅系統地研究了金屬鋰和石墨類碳材料的浸潤性，還為構筑鋰碳復合負極材料提供了一個全新的思路，為高能量鋰電池開發助力。