近日，我校化学学院曹菲菲教授团队在材料科学领域期刊Advanced Materials发表题为“Anchoring Active Li Metal in Nutrients Transport Channel by In-Situ Formed Nucleation Sites Enabling Durable Lithium-Metal Batteries”的研究论文。该研究发展了一种微生物解聚调控生物碳石墨化程度的新方法，利用酶生物化学反应选择性解聚芳环结构的木质素骨架，提高了短程有序的纤维素碳比例，实现了高导电性生物碳材料的制备。设计了具有亲锂位点、三维孔道结构的椴木碳负极集流体，能够高效诱导金属锂的均匀沉积，实现了锂金属电池在大沉积面容量下的长时间稳定运行，促进了金属锂电池的发展并拓展了生物基材料的应用领域。
开发高能量密度、高功率密度、高安全性和长循环寿命的电化学储能器件对推动能源绿色转型和高质量发展至关重要。目前，传统的锂离子电池体系的能量密度已经接近极限，无法满足发展需求。金属锂电池具有高理论比容量（3860 mAh/g）、低电化学电位，低密度等优点，是极具发展潜力的新型高比能电化学储能器件。然而，锂枝晶生长、体积膨胀引起的安全问题严重阻碍其实际应用。碳材料具有成本低、储量丰富、形貌可调等优点，是金属锂的良好载体。生物质材料由于其本征结构多样、来源广泛和官能团丰富的特点，是制备碳材料的理想原料。
基于此，我校化学学院生物质电能源化学研究室对系列具有垂直维管结构的木本植物采用微生物解聚调控策略，利用酶生物化学反应选择性解聚芳环结构的木质素骨架，提高了纤维素比例。接菌后的椴木碳经过进一步的碳化处理后，短程有序的纤维素碳比例明显提高，具有更高的石墨化程度。该低曲折度、高石墨化程度的接菌椴木碳作为高能量密度锂金属电池负极集流体时，展现了良好的热力学稳定性，利于均匀化离子流，促进了离子的快速传输；垂直的维管结构提供了充足的储锂空间，有效缓解了金属锂沉积/剥离过程中引起的体积膨胀。进一步将亲锂性的CoSe纳米颗粒作为成核位点沉积在接菌椴木碳孔道内部去锚定金属锂，诱导了锂在孔道内部的均匀沉积、抑制了枝晶的生长。将该接菌椴木碳/金属锂复合负极与高镍NCM0.83正极匹配组装的全电池，在0.2 C的深度充放电条件下循环300圈后容量保持率仍能达到81.7%。
本研究拓展了生物基材料的应用场景，并为构建稳定的金属锂电池负极提供了新设计思路。相关系列研究工作发表在Adv. Mater., DOI: 10.1002/adma.202313034 ; J. Am. Chem. Soc., 2021, 143, 3280; Nano. Res. 2023, 16, 3832上。
我校化学学院硕士研究生彭怀宇和徐艳松副教授为共同第一作者，曹菲菲教授为通讯作者，化学学院为第一完成单位。
