給鋰金屬一個“褶皺的家”：三維石墨烯“海綿”抑制枝晶生長

鋰金屬負極以其十倍于石墨的理論容量，被視為鋰電池的“圣杯”。然而，鋰枝晶在充放電過程中野蠻生長，不僅會“刺穿”電池隔膜導致短路，更會在反復的沉積與剝離中，像反復膨脹收縮的“呼吸”一樣，撐破電極結構，導致電池迅速失效。清華大學深圳國際研究生院的李寶華教授團隊與廈門理工學院姜春海教授團隊轉換思路，不從外部“圍堵”，而是為鋰金屬精心構筑了一個內部“家園”。他們利用氧化石墨烯與聚合物基底在熱處理中“熱縮冷脹”的差異，巧妙地制備出一種輕質、柔性的褶皺石墨烯（WG）結構。這個三維的“微褶皺森林”不僅增加了表面積以分散電流，其豐富的褶皺空隙更能像海綿一樣吸收循環中的體積應力，引導鋰以平滑、致密的層狀形式沉積。基于此的鋰金屬負極，在對稱電池中實現了超過1800小時的長穩定循環，與商業磷酸鐵鋰正極組成的全電池也表現出優異的性能。

01挑戰：枝晶生長與體積效應

鋰金屬負極雖好，但兩大頑疾使其難以實用：一是鋰離子容易在表面凸起處“扎堆”生長，形成樹枝狀的鋰枝晶；二是鋰在沉積與剝離過程中的巨大體積變化，產生的機械應力會破壞電極結構。

研究團隊采用的策略如同一個“精細的烹飪過程”。他們首先電紡出聚合物前驅體薄膜，然后在它“柔軟”的時候，用電噴霧“噴上”一層氧化石墨烯“涂層”。在后續的熱處理（碳化）過程中，由于石墨烯層與聚合物基底的收縮程度不同，就像一張濕潤的紙在烘干時會起皺一樣，石墨烯片層被“壓”出了穩定且均勻的三維褶皺紋理。

02構筑引導鋰沉積的“微褶皺森林”

傳統方法是將石墨烯涂覆在已成型的碳纖維（CNF）骨架上，得到的是相對平滑的表面（SG）。而該研究的創新在于“順序顛倒”——先“噴涂料”，再“建骨架”。

掃描電鏡圖像揭示了這個精妙結構。與光滑的SG表面（圖1d, e）相比，WG結構布滿了連綿起伏的“山丘”與“山谷”（褶皺），形成了大量微米級的孔隙。這種結構帶來了三大優勢：

• 擴大“宅基地”：高比表面積有效降低了局部電流密度，從源頭防止鋰離子集中沉積。
• 提供“錨點”：褶皺石墨烯表面的缺陷和官能團，是親鋰的“種子位點”，能引導鋰均勻成核。
• 預留“呼吸空間”：褶皺間的空隙為鋰沉積提供了緩沖空間，結構本身的彈性也能吸收體積膨脹應力。

03鋰的“平整落戶”與“完美搬遷”

鋰在不同基底上的沉積行為，直觀地證明了WG結構的優越性。

當沉積1 mAh cm?2的鋰時，在WG表面形成的是致密、平滑的金屬層，沒有枝晶的蹤影。即使沉積量加大到6 mAh cm?2，鋰仍能致密地填充每一個褶皺“山谷”。最關鍵的是，當這些鋰被完全剝離后，WG基底露出了干凈、完好的原始褶皺表面，幾乎沒有殘留的“死鋰”。

相比之下，在普通碳纖維（CNF）或平滑石墨烯（SG）上，鋰的沉積則顯得“雜亂無章”，形成疏松的團簇或塊狀顆粒，剝離后表面傷痕累累。這證明，WG的褶皺結構像一條規劃良好的“高速路”，能引導鋰離子均勻、有序地“停車”（沉積）和“駛離”（剝離）。

04高效率與長壽命的“雙優答卷”

電化學測試數據全面印證了WG結構的優越性：

成核過電位低：WG的初始鋰成核過電位（~34 mV）低于CNF和SG，表明其表面更有利于鋰的沉積。

循環壽命長、效率高：在1 mA cm?2、1 mAh cm?2的條件下，WG負極實現了平均97.8%的庫倫效率，穩定循環超過300次。以其組裝的對稱電池可穩定運行超過1800小時，過電位保持在~20 mV左右。

庫倫效率曲線顯示WG（紅色）性能最穩定且衰減最慢。對稱電池測試中，WG對應的電壓曲線也最為平穩。

全電池性能優異：與高面容量磷酸鐵鋰（LFP）正極（2.7 mAh cm?2）配對，即使在負極鋰余量（N/P比）低至2.2的苛刻條件下，全電池在1C倍率下循環100圈后容量保持率仍達96.1%，并表現出良好的倍率性能，證明了其接近實用化的潛力。

該工作成功開發了一種制備輕質褶皺石墨烯宿主材料的簡易方法，并系統證明了其在抑制鋰枝晶、提升循環穩定性方面的有效性。其核心在于通過合理的三維結構設計，同步實現了對鋰離子流、成核行為及循環應力的主動管理。這項研究為高能量密度鋰金屬電池的開發提供了有價值的材料解決方案和設計思路。該策略有望進一步拓展至鈉、鋅等其他金屬電池體系。

Kui Lin, Hai Lin, Lingyan Ruan, Xianying Qin, Tongbin Lan, Chunhai Jiang, Baohua Li, Lightweight wrinkled graphene texture for smooth and reversible lithium deposition, Carbon, 252, 121369 (2026)

https://doi.org/10.1016/j.carbon.2026.121369

【通訊作者信息】

李寶華，教授，博士生導師，主要從事新型炭材料、鋰離子電池和固態電解質等能源材料與器件及電池回收技術等方向研究工作。在Science、Nature Reviews Materials、Nature Energy、Nature Communications、Advanced Materials和新型炭材料等國內外期刊發表SCI論文460余篇，ESI高被引用論文30余篇， SCI引用35000余次，H因子100，2020-2023年連續四年入選科睿唯安高被引科學家。申請發明專利100多項，已實現30多項專利技術應用。深圳下一代動力與儲能電池關鍵技術工程實驗室主任，SIGS材料與器件檢測技術中心（CNAS認可和校準實驗室，CSA授權）創始人兼負責人，廣東省電動汽車標準化技術委員會副主任，中國材料與試驗團體標準委員會電池及其相關材料領域委員會（CSTM/FC59）主任委員，Energy & Environmental Materials期刊副主編，Energy Materials and Devices 期刊副主編，Journal of Materials Chemistry A期刊顧問編委。

姜春海，研究員，福建省“閩江學者”特聘教授；中國石油大學（華東）和華僑大學兼職博士生導師；現任廈門理工學院研究生處處長、新能源材料與器件專業負責人，兼任廈門理工學院僑聯主席、廈門市僑聯副主席、中國化學會高級會員、中國機械工程學院理化檢測分會副主任委員。目前主要開展新能源材料與器件相關研究，近年來主持某國家專項子課題、中科院知識創新工程重要方向項目、福建省科技廳工業引導性項目、廈門市科技計劃項目、企業橫向委托課題等項目20余項，作為合作單位負責人參與福建省技術創新重點攻關及產業化項目、廈門市重大科技計劃項目(未來技術領域)各一項；獲授權國家發明專利25項，獲中科院沈陽分院優秀青年科技人才獎等獎勵3項；在《Nano Today》《Journal of Power Sources》《Applied Surface Science》《JMST》等國內外學術期刊發表論文130余篇，第一和通訊作者論文他引3000余次。迄今培養博士生2名，碩士生14名（含聯合培養3名），其中2人獲得福建省優秀碩士學位論文。

來源：Carbon碳材料