本网讯（物质科学与信息技术研究院）近日，物质科学与信息技术研究院周腾飞教授课题组在锂-硫电池领域取得新进展，通过构建碳骨架/液态金属复合负极，实现锂离子的高通量传输、界面稳定与枝晶抑制，相关研究成果以“High-Throughput Carbon Scaffold and Liquid Metal Enable High-Flux Li+ Transport, Improved Interface Wettability, Dendrite Suppression, and Polysulfide Control in Li–S Batteries”为题发表在材料领域国际知名期刊Advanced Functional Materials上。博士研究生杨辰雨为第一作者，物科院周腾飞教授和西安交通大学陈元振教授为共同通讯作者，安徽大学为第一单位。
在追求下一代高比能储能技术的全球竞赛中，锂金属电池因其极高的理论能量密度而被寄予厚望，被视为电动航空和深空探索等领域的关键能源解决方案。然而，锂枝晶生长失控、界面反应不稳定以及复杂的穿梭效应，长期阻碍了其商业化进程。基于此，周腾飞教授课题组利用生物质前驱体，经由碱性处理与高温碳化，构建了一种具有高通量特性的分级多孔碳骨架（HTCS）。这种三维互联架构不仅具备超高流体通量，还拥有优异的导电性与亲锂性，能够有效降低局部电流密度，从物理结构上抑制极化效应。为了进一步优化界面动力学，引入了具有自愈合特性的镓铟（GaIn）液态金属，通过原位熔融灌注技术制备了 HTCS/Li–GaIn 复合负极。第一性原理分子动力学（AIMD）模拟显示，锂与非晶态 Li-GaIn 合金中的 GaIn 基元之间存在高达 −2.81eV 的强结合能，证实了稳健的金属间相互作用。这种独特的液态金属缓冲层不仅大幅降低了界面阻抗，更凭借其卓越的流动性实现了对锂沉积的均匀调控，从而抑制了枝晶生长。这项研究不仅展示了生物质衍生材料在先进储能领域的巨大潜力，更通过“刚性骨架+柔性界面”的协同设计理念，为开发高能量密度、高安全性的下一代锂金属电池开辟了切实可行的技术路径。
图1. HTCS/S正极和HTCS/Li-Galn负极的合成过程和机理示意图
此前，周腾飞教授课题组提出了一种受林木结构启发的电极设计策略，以天然木材为前驱体，构建了一种负载有镍（Ni）纳米颗粒与钌（Ru）团簇的分级多孔碳电极（Ni-Ru-NCNT/CW）。该电极巧妙地利用木材原有的三维分级孔道，实现了气相二氧化碳与液相电解液传输通道的有效解耦，为下一代高性能金属-气体电池的开发提供了全新思路。相关研究成果以“Dual-Site Ni Nanoparticles-Ru Clusters Anchored on Hierarchical Carbon with Decoupled Gas and Ion Diffusion Channels Enabling Low-Overpotential, Highly Stable Li-CO2 Batteries”为题，发表在国际知名期刊Advanced Functional Materials。物科院硕士研究生蒋展、阮谨茜为该论文第一作者，周腾飞教授为共同通讯作者，安徽大学为第一单位。
图2. Ni-Ru-NCNT/CWX的制备流程图。
在应对全球气候变化与能源危机的双重挑战中，锂-二氧化碳（Li-CO2）电池凭借其独特的二氧化碳固定能力与高达1876Wh kg−1的理论能量密度，被视为极具潜力的绿色储能技术。然而，由于放电产物碳酸锂（Li2CO3）的绝缘特性及极高的热力学稳定性，该电池系统长期面临电化学反应动力学缓慢、过电位显著以及循环寿命受限等瓶颈。本研究利用生物质木材碳化后的天然导管与纹孔结构，构建了高效的流体输运网络。通过在原位生长的氮掺杂碳纳米管上引入Ni-Ru双金属催化位点，利用二者在电子结构上的协同效应，优化了对中间产物的吸附能。得益于“结构-活性”的双重优化，该电池的放电平台稳定在3.16V以下，充放电过电位差仅为0.619V。在0.091 mA cm−2 的电流密度下，实现了34.681 mAh cm−2的超高全放电容量。该电池同时展现出了良好的稳定性，循环寿命突破1100次，累计运行时间超过2200h。这一成果标志着非水系Li-CO2电池在迈向实际应用的道路上取得了重要进展，为高效碳捕集与能量转换技术的融合树立了典范。
图3. 设计正极提高Li-CO2电池性能的机理示意图。