金属锂作为下一代高能量密度可充电电池的候选负极材料备受关注。然而，锂金属负极（LMAs）的不可控枝晶生长，其在实际电池中的应用仍然受到安全问题和低库仑效率的严重阻。

近日，新加坡南洋理工大学楼雄文教授报道了一种精心设计的由碳笼（CC）修饰的氮掺杂的非晶Zn-C多通道纤维组成的3D载体（CC-Zn-CMFs）用于稳定LMA。

文章要点

1）研究人员首先将Zn(Ac)₂、聚苯乙烯（PS）和聚丙烯腈（PAN）混合在N，N-二甲基甲酰胺中，通过静电纺丝制得PAN/PS-Zn(Ac)₂纤维。然后，将PAN/PS-Zn(Ac)₂纤维在2-甲基咪唑/乙醇溶液中浸泡24 h后，在PAN/PS-Zn(Ac)₂纤维表面生长了一层锌基沸石咪唑骨架（ZIF-8）纳米颗粒。最后，在N₂热处理过程中，ZIF-8@PAN/PS-Zn(Ac)₂纤维转变为CC-Zn-CMFs。

2）场发射扫描电子显微镜（FESEM）图像显示，经过浸泡后的PAn/PSZn(Ac)₂产物具有一维纤维形态，直径在1.5~2.0 μm之间，表面异常粗糙，进一步观察发现，纤维表面覆盖有紧密堆积的纳米颗粒。此外，CC-Zn-CMFs继承了层次化的纤维结构，表面仍然非常粗糙，横截面图像直接显示了其独特的多通道结构，高度平行的通道沿光纤均匀排列。有趣的是，进一步放大显示，中空纤维表面具有紧密锚定的纳米笼。此外，HRTEM没有观察到明显的晶格条纹，揭示了CC-Zn-CMFs的非晶态特征。

3）研究发现，这种通过精心的结构和成分设计的CC-Zn-CMFs具有多方面的优点：i）大比表面积的三维导电层状碳纤维能有效地促进电子的传递，降低局部电流密度；ii）多通道碳纤维上具有纳米笼的大孔结构可以适应长期电化学循环过程中的巨大体积变化；iii）亲锂氮掺杂的碳和功能性锌纳米颗粒对锂离子具有很强的锚定作用，使锂离子定向沉积在多孔碳表面；iv）可伸缩且坚固的支撑架可以承受反复镀锂/剥离过程中的压应力。

4）实验结果表明，所研制的负极在1~5 mA cm^-2的不同电流密度下循环500次以上，具有优异电化学性能，对称电池的循环时间可长达2000 h以上，基于所研制的负极和LiFePO₄正极组装的全电池也表现出优异的倍率性能和稳定的循环寿命。

参考文献

Yongjin Fang, et al, Nitrogen-Doped Amorphous Zn-Carbon Multichannel Fibers for Stable Lithium Metal Anodes, Angew. Chem. Int. Ed., 2021

DOI: 10.1002/anie.202100471

https://doi.org/10.1002/anie.202100471