近期，清華大學(xué)化工系張強(qiáng)課題組在《科學(xué)進(jìn)展》及《Research》上發(fā)表系列文章《摻雜碳材料親鋰性化學(xué)誘導(dǎo)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(jī)骨架調(diào)控?zé)o枝晶金屬鋰負(fù)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(fù)極骨架親鋰化學(xué)及材料設(shè)計(jì)領(lǐng)域的研究取得重要進(jìn)展。

隨著電動(dòng)汽車、便攜式電子器件、智能手機(jī)、電動(dòng)工具等的快速發(fā)展與廣泛應(yīng)用，發(fā)展高能量密度的二次電池成為了當(dāng)前社會(huì)的熱點(diǎn)需求之一。鋰金屬負(fù)極由于擁有高理論比容量（3860 mAh g-1）和低電極電位（相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)氫電極-3.040 V）方面的優(yōu)勢(shì)，是下一代高比能電池負(fù)極材料的理想選擇之一。但是，鋰金屬負(fù)極在實(shí)際應(yīng)用時(shí)面臨著鋰枝晶生長和負(fù)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(zhì)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(huán)壽命；更嚴(yán)重的是鋰枝晶可能刺穿電池隔膜，接觸正極，造成電池內(nèi)部短路，引發(fā)安全隱患。近年來，親鋰負(fù)極骨架設(shè)計(jì)被認(rèn)為是一種解決鋰金屬負(fù)極枝晶生長和體積膨脹問題的有效手段。如何理解負(fù)極骨架親鋰性的化學(xué)本質(zhì)和有效設(shè)計(jì)親鋰材料是鋰金屬負(fù)極發(fā)展過程中的關(guān)鍵科學(xué)問題之一。最近，清華化工系張強(qiáng)課題組在金屬鋰負(fù)極親鋰性理解及材料設(shè)計(jì)方面取得了一系列原創(chuàng)性進(jìn)展。

負(fù)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(fù)極骨架表面，與形核位點(diǎn)相互作用，發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移，鋰離子被還原為鋰金屬。

張強(qiáng)研究團(tuán)隊(duì)基于摻雜碳材料具有導(dǎo)電性好、制備容易、密度小等方面的優(yōu)勢(shì)，提出將其應(yīng)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(diǎn)親鋰性的化學(xué)本質(zhì)，該研究團(tuán)隊(duì)基于第一性原理計(jì)算與實(shí)驗(yàn)表征相結(jié)合的方法，提出親鋰性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：摻雜原子電負(fù)性、摻雜位點(diǎn)“局部偶極”和鋰形核過程中電荷轉(zhuǎn)移。

具體來講，雜原子與碳原子之間的電負(fù)性差異有利于形成負(fù)電中心以吸附鋰離子；“局部偶極”的形成有利于進(jìn)一步增強(qiáng)鋰離子與形核位點(diǎn)之間的離子–偶極作用；電荷轉(zhuǎn)移則是降低鋰形核能壘的必要條件之一。基于此方法預(yù)測(cè)，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(shí)驗(yàn)證實(shí)；相比于單摻雜體系，預(yù)測(cè)了O–B/P等雙摻雜體系具有更優(yōu)的親鋰性。相關(guān)成果以《摻雜碳材料親鋰性化學(xué)誘導(dǎo)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(fā)表于《科學(xué)》（Science）雜志子刊《科學(xué)進(jìn)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(tǒng)的親鋰性較差的納米碳骨架材料，金屬鋰隨機(jī)形核并生長，最終發(fā)展為金屬鋰枝晶。（b）使用具有超高親鋰性的卟啉有機(jī)骨架材料，金屬鋰優(yōu)勢(shì)形核并數(shù)量增多，最終實(shí)現(xiàn)金屬鋰的均勻沉積并抑制金屬鋰枝晶的產(chǎn)生。

為了在鋰金屬電池中調(diào)控金屬鋰的均勻沉積并抑制鋰枝晶的形成，該研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種基于卟啉的有機(jī)骨架材料。卟啉有機(jī)骨架材料是一種由卟啉單元通過共價(jià)鍵連接成的二維層狀聚合物，具有相對(duì)明確的化學(xué)結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)親鋰位點(diǎn)的精準(zhǔn)構(gòu)筑與均勻分布。規(guī)則排列的卟啉結(jié)構(gòu)單元由于其本征的極性與大共軛結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出超高的親鋰性，在電化學(xué)條件下可以明顯的降低金屬鋰的形核過電勢(shì)并誘導(dǎo)金屬鋰均勻形核與沉積。在金屬鋰初期形核后，由于卟啉結(jié)構(gòu)單元比金屬鋰核具有更高的親鋰能力，使得在后續(xù)的沉積過程中金屬鋰優(yōu)先沉積到卟啉有機(jī)骨架表面而非金屬鋰核上，表現(xiàn)出鋰核數(shù)量的增多，從而實(shí)現(xiàn)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(guān)工作以《親鋰卟啉有機(jī)骨架調(diào)控?zé)o枝晶金屬鋰負(fù)極的均勻形核》（Favorable Lithium Nucleation on Lithiophilic Framework Porphyrin for Dendrite-Free Lithium Metal Anodes）為題，發(fā)表于中國科協(xié)與美國科學(xué)促進(jìn)會(huì)合辦的國際化高水平綜合性大型科技期刊《Research》上。

《Research》是《科學(xué)》（Science）自1880年創(chuàng)建以來第一本對(duì)外合作的期刊。其目標(biāo)是打造向世界介紹中國科學(xué)家學(xué)術(shù)成就的科學(xué)高地，促進(jìn)中外高水平科學(xué)家交流與合作的平臺(tái)，主要報(bào)道國內(nèi)外科學(xué)家在人工智能與信息科學(xué)、生物學(xué)與生命科學(xué)、能源研究、環(huán)境科學(xué)、新興材料研究、機(jī)械科學(xué)與工程、微納米科學(xué)、機(jī)器人與先進(jìn)制造、技術(shù)研究和應(yīng)用9個(gè)交叉學(xué)科領(lǐng)域的最新高水平突破性原創(chuàng)科研成果，以及在解決重大科學(xué)問題、建設(shè)重大科學(xué)工程中所取得成就的系列學(xué)術(shù)文章。

《今日材料》封面隱喻了理論和實(shí)驗(yàn)方法結(jié)合，可有效揭示能源化學(xué)本質(zhì)探索，推動(dòng)能源材料的創(chuàng)新。

該研究團(tuán)隊(duì)受邀在國際頂尖期刊《今日材料》（Materials Today）邀請(qǐng)，與美國加州大學(xué)伯克利分校材料工程系的Kristin A. Persson教授團(tuán)隊(duì)合作發(fā)表了題為《鋰硫電池中理論和實(shí)驗(yàn)的結(jié)合研究進(jìn)展和未來展望》（Combining Theory and Experiment in Lithium–Sulfur Batteries: Current Progress and Future Perspectives）評(píng)述性文章。該綜述系統(tǒng)地總結(jié)了理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)表征在鋰硫電池中的綜合應(yīng)用，深入分析了理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法及面臨的困難，為未來鋰硫電池、鋰金屬負(fù)極及相關(guān)能源儲(chǔ)存與轉(zhuǎn)換領(lǐng)域結(jié)合理論與計(jì)算方法，深入揭示其能源化學(xué)本質(zhì)，為新體系電池研究提供了新研究空間。

上述研究論文的通訊作者為清華大學(xué)長聘教授張強(qiáng)。《摻雜碳材料親鋰性化學(xué)誘導(dǎo)鋰金屬均勻形核》和及《鋰硫電池中理論和實(shí)驗(yàn)的結(jié)合研究進(jìn)展和未來展望》的第一作者為清華大學(xué)博士生陳翔。《親鋰卟啉有機(jī)骨架調(diào)控?zé)o枝晶金屬鋰負(fù)極的均勻形核》共同第一作者為清華大學(xué)博士生李博權(quán)、博士生陳筱薷、博士生陳翔。參與該項(xiàng)目的本科生趙長欣獲得了清華大學(xué)大學(xué)生學(xué)術(shù)研究推進(jìn)計(jì)劃中的“未來學(xué)者”，在本工作的卟啉有機(jī)骨架合成和表征工作中做出了重要貢獻(xiàn)。

張強(qiáng)教授課題組致力于能源材料化學(xué)/化工領(lǐng)域研究。高效的儲(chǔ)能系統(tǒng)是當(dāng)代交通、能源工業(yè)、消費(fèi)電子產(chǎn)業(yè)的核心支柱。尋找新的高容量密度的電極材料和能源化學(xué)原理，獲得高比能儲(chǔ)能系統(tǒng)是當(dāng)今能源存儲(chǔ)和利用的關(guān)鍵。該研究團(tuán)隊(duì)深入探索鋰硫電池這類依靠多電子化學(xué)輸出能量的化學(xué)電源的原理，提出了鋰硫電池中的鋰鍵化學(xué)、離子溶劑配合物概念，并根據(jù)高能電池需求，研制出固態(tài)電解質(zhì)界面膜保護(hù)的鋰負(fù)極及碳硫復(fù)合正極等多種高性能能源材料，構(gòu)筑了鋰硫軟包電池器件。針對(duì)鋰金屬負(fù)極，提出了親鋰化學(xué)，通過先進(jìn)手段研究固態(tài)電解質(zhì)膜，通過引入納米骨架、表面修飾保護(hù)層等方法調(diào)控金屬鋰的沉積行為，實(shí)現(xiàn)金屬鋰電池的高效安全利用。這些相關(guān)研究工作先后發(fā)表在《先進(jìn)材料》《美國化學(xué)會(huì)會(huì)志》《德國應(yīng)用化學(xué)》《能源存儲(chǔ)材料》《化學(xué)》《焦耳》《自然通訊》《美國科學(xué)院院報(bào)》等知名期刊上。近期，該研究團(tuán)隊(duì)在《化學(xué)評(píng)論》上進(jìn)行了二次電池中安全金屬鋰負(fù)極評(píng)述。該研究團(tuán)隊(duì)在鋰硫電池、金屬鋰負(fù)極領(lǐng)域也申請(qǐng)了一系列中國發(fā)明專利和PCT專利，形成了具有較好保護(hù)作用的專利群。

論文鏈接：?

Chen X, Chen XR, Hou TZ, Li BQ, Cheng XB, Zhang R, Zhang Q*. Lithiophilicity Chemistry of Heteroatom-Doped Carbon to Guide Uniform Lithium Nucleation in Lithium Metal Anodes. Sci. Adv. 2019, 5, eaau7728, DOI: 10.1126/sciadv.aau7728.?

http://advances.sciencemag.org/content/5/2/eaau7728?

Li BQ, Chen XR, Chen X, Zhao CX, Zhang R, Cheng XB, Zhang Q*. Favorable Lithium Nucleation on Lithiophilic Porphyrin Organic Frameworks for Dendrite-Free Lithium Metal Anodes. Research 2019, 2, 4608940.?

https://spj.sciencemag.org/research/2019/4608940/?

Chen, X.; Hou, T.; Persson, K A*; Zhang, Q*, Combining Theory and Experiment in Lithium–Sulfur Batteries: Current Progress and Future Perspectives. Mater. Today 2019, 22, 142–158.?

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1369702118303511