近日，我校材料冶金化学学部碳纳米材料及器件团队在Advanced Materials（影响因子27.398）发表研究论文，题为“A dendrite-free lithium/carbon nanotube hybrid for lithium metal batteries”。我校18级硕士研究生王志勇为论文第一作者，尹艳红副教授、吴子平教授为该论文通讯作者，江西理工大学为论文第一完成单位。该研究创新地提出一种通过控制温度场使熔融态锂金属向上爬升浸润碳纳米管膜的策略，为液态金属与无机薄膜实现直接浸润提供了新的解决思路。
一般液态金属往往具有较大的表面能，无机非金属薄膜表面能相对较低，因而液态金属较难润湿无机非金属薄膜。湿润性除了由液态和被润湿固态的表面能所决定之外，还与体系温度场、热力学与动力学条件有关。在这项工作中，作者通过构建温度场，得到合适的热力学和动力学条件，为熔融态锂金属提供快速向上爬升的动力，灌注到上部的碳纳米管膜网络中（图1）。
图1.温度场驱动熔融态锂金属向上爬升浸润碳纳米管膜
一般认为液态锂金属在重力作用下，会浸润到下部的碳纳米材料内部。本研究发现：液态锂金属主动向上运动，浸润到上部的膜内（见浸润过程视频）。其热力学趋势是在过冷度条件下，熔融态锂金属在上部碳纳米管膜上存在一个负的吉布斯自由能；其驱动力来自于碳纳米管膜内气压变化的压力差，进而推动液态锂金属沿碳纳米管束发生凝固结晶，实现浸润（图2）。
300℃下液态锂金属向碳纳米管膜的直接灌注过程
图2.液态锂金属沿碳纳米管束发生凝固结晶生长过程及机理
液态锂与碳纳米管膜间的直接杂化，极大发挥了碳基材料分散电流密度的作用。制备的锂/碳纳米管膜杂化负极在对称电池40 mA cm-2的超高电流密度条件下，可实现2000圈稳定循环。在碳纳米管的“分流”作用下，锂离子均匀地沉积剥离，有效抑制了锂枝晶和死锂的形成，提升了锂金属电池的安全性。
（论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202006702）
