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据报道， 近期，清华大学化工系张强课题组在《科学进展》及《Research》上发表系列文章《掺杂碳材料亲锂性化学诱导锂金属均匀形核》（Lithiophilicity Chemistry of Heteroatom-Doped Carbon to Guide Uniform Lithium Nucleation in Lithium Metal Anodes）《亲锂卟啉有机骨架调控无枝晶金属锂负极的均匀形核》（Favorable Lithium Nucleation on Lithiophilic Framework Porphyrin for Dendrite-Free Lithium Metal Anodes），阐释锂金属负极骨架亲锂化学及材料设计领域的研究取得重要进展。

随着电动汽车、便携式电子器件、智能手机、电动工具等的快速发展与广泛应用，发展高能量密度的二次电池成为了当前社会的热点需求之一。锂金属负极由于拥有高理论比容量（3860 mAh g-1）和低电极电位（相对标准氢电极-3.040 V）方面的优势，是下一代高比能电池负极材料的理想选择之一。但是，锂金属负极在实际应用时面临着锂枝晶生长和负极体积膨胀等难题。锂枝晶生长过程中容易生成“死锂”，造成电极活性物质损失，不可逆地降低容量；锂枝晶加剧电解液的分解，降低电池库伦效率与循环寿命；更严重的是锂枝晶可能刺穿电池隔膜，接触正极，造成电池内部短路，引发安全隐患。近年来，亲锂负极骨架设计被认为是一种解决锂金属负极枝晶生长和体积膨胀问题的有效手段。如何理解负极骨架亲锂性的化学本质和有效设计亲锂材料是锂金属负极发展过程中的关键科学问题之一。最近，清华化工系张强课题组在金属锂负极亲锂性理解及材料设计方面取得了一系列原创性进展。

负极骨架表面锂形核过程示意图。溶剂化的锂离子被吸附到负极骨架表面，与形核位点相互作用，发生电荷转移，锂离子被还原为锂金属。

张强研究团队基于掺杂碳材料具有导电性好、制备容易、密度小等方面的优势，提出将其应用于锂金属骨架材料的研究思路。为了理解碳材料掺杂位点亲锂性的化学本质，该研究团队基于第一性原理计算与实验表征相结合的方法，提出亲锂性设计准则：掺杂原子电负性、掺杂位点“局部偶极”和锂形核过程中电荷转移。

具体来讲，杂原子与碳原子之间的电负性差异有利于形成负电中心以吸附锂离子；“局部偶极”的形成有利于进一步增强锂离子与形核位点之间的离子–偶极作用；电荷转移则是降低锂形核能垒的必要条件之一。基于此方法预测，氧掺杂在单掺杂体系中具有最好的亲锂性，并得到了锂金属形核实验证实；相比于单掺杂体系，预测了O–B/P等双掺杂体系具有更优的亲锂性。相关成果以《掺杂碳材料亲锂性化学诱导锂金属均匀形核》（Lithiophilicity chemistry of heteroatom-doped carbon to guide uniform lithium nucleation in lithium metal anodes）为题，发表于《科学》（Science）杂志子刊《科学进展》（Science Advances）上。

在具有不同亲锂性的骨架材料上金属锂形核与生长情况示意图。（a）使用传统的亲锂性较差的纳米碳骨架材料，金属锂随机形核并生长，最终发展为金属锂枝晶。（b）使用具有超高亲锂性的卟啉有机骨架材料，金属锂优势形核并数量增多，最终实现金属锂的均匀沉积并抑制金属锂枝晶的产生。

为了在锂金属电池中调控金属锂的均匀沉积并抑制锂枝晶的形成，该研究团队设计了一种基于卟啉的有机骨架材料。卟啉有机骨架材料是一种由卟啉单元通过共价键连接成的二维层状聚合物，具有相对明确的化学结构，可以实现亲锂位点的精准构筑与均匀分布。规则排列的卟啉结构单元由于其本征的极性与大共轭结构，表现出超高的亲锂性，在电化学条件下可以明显的降低金属锂的形核过电势并诱导金属锂均匀形核与沉积。在金属锂初期形核后，由于卟啉结构单元比金属锂核具有更高的亲锂能力，使得在后续的沉积过程中金属锂优先沉积到卟啉有机骨架表面而非金属锂核上，表现出锂核数量的增多，从而实现了金属锂的均匀形核并有效的抑制了金属锂枝晶的形成。相关工作以《亲锂卟啉有机骨架调控无枝晶金属锂负极的均匀形核》（Favorable Lithium Nucleation on Lithiophilic Framework Porphyrin for Dendrite-Free Lithium Metal Anodes）为题，发表于中国科协与美国科学促进会合办的国际化高水平综合性大型科技期刊《Research》上。