A bateria de íon-lítio "cadeira de rocha" (LIB) foi descoberta no final dos anos 1970 e comercializada em 1991 pela Sony, que se tornou a principal forma de armazenar energia portátil hoje. Para homenagear a contribuição para "criar um mundo recarregável, "o Prêmio Nobel de Química de 2019 foi concedido a três cientistas famosos, John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham, Akira Yoshino, que fez as contribuições mais importantes para a descoberta de LIBs. Contudo, esta tecnologia está se aproximando de seus limites práticos de desempenho e grandes esforços estão em andamento para substituir LIBs por novas soluções de armazenamento eletroquímico, que são seguros, estábulo, baixo custo e com maior densidade de energia para alimentar veículos elétricos de longo alcance e eletrônicos portáteis de longa duração.

Substituindo os ânodos à base de grafite tradicionais por metal de Li, um ânodo "sagrado" com uma alta capacidade teórica de 3860 mAh / g, mostra uma abordagem promissora. Atualmente, O ânodo de metal de lítio sofre de baixa eficiência de ciclagem e mudança de volume infinita, levantando questões de segurança operacional. Esforços eficazes, que incluem aditivos de eletrólitos funcionais, interfaces artificiais de eletrólito sólido, e usando scaffolds de host para armazenar a expansão do volume, foram tomadas para lidar com suas desvantagens. Entre estes, o método de uso de andaimes continua a ter um rápido desenvolvimento.

Grafite, um anodo clássico de Li, mostra uma grande promessa como um andaime host eficaz, que possui baixa densidade e alta condutividade de elétrons. Contudo, é geralmente aceito que o metal de Li molha a grafite mal, causando sua disseminação e dificuldade de infiltração. Métodos anteriores de transformação de grafite de litiofobicidade em litiofilicidade incluem revestimento de superfície com Si, Ag ou óxido de metal (litiofóbico indica um grande ângulo de contato, enquanto litiofílico indica um baixo ângulo de contato entre o lítio fundido e a superfície sólida). Contudo, essa mudança no comportamento de espalhamento do líquido deve-se à substituição do grafite por revestimento reativo. Consequentemente, pode-se perguntar se o grafite é intrinsecamente litiofóbico ou litiofílico.

Aqui em, o comportamento de umedecimento do Li fundido em diferentes tipos de materiais de carbono à base de grafite foi sistematicamente estudado. Em primeiro lugar, o grafite pirolítico altamente orientado (HOPG) foi usado como uma amostra de teste. Observou-se que o substrato HOPG permite imediatamente um ângulo de contato (CA) de 73 ° com o metal Li. Para comparar esta experiência com a teoria, A simulação de dinâmica molecular ab initio foi realizada com uma gota de Li fundida (54 átomos de Li) / grafite (432 átomos de C, configuração de grafeno de duas camadas) para provar que uma superfície limpa (002) de grafite é intrinsecamente litiofílica a 500K, e os resultados também confirmaram que o lítio e a grafite têm boa afinidade.

Contudo, o CA do metal Li em papel carbono poroso (PCP) é tão alto quanto 142 °, o que indica que o PCP é litiofóbico. Este resultado, que contradiz a conclusão anterior de que a grafite é intrinsecamente litiofílica, levou os pesquisadores a obter uma maior compreensão do efeito da química da superfície no desempenho de umedecimento do metal Li e da grafite. Comparado com HOPG, verificou-se que a superfície do PCP possui um grande número de grupos funcionais contendo oxigênio. Essas impurezas superficiais desempenharão um papel fundamental na fixação da linha de contato entre o metal Li e o PCP, resultando em um maior ângulo de contato aparente.

Para demonstrar essa suposição, o PCP foi litiado pela primeira vez diminuindo seu potencial eletroquímico com metal Li fundido. Durante este processo, as impurezas superficiais do PCP também são eliminadas. O experimento mostra que o PCP litiado exibiu um pequeno CA de ~ 52 °, que indicou uma transição bem-sucedida de litiofobicidade para litiofilicidade. Devido à estrutura porosa do PCP litiado, o metal Li se difundiu rapidamente. A simulação DFT revelou que a grafite litiada e a grafite possuíam desempenho de umedecimento semelhante, a demonstração da eliminação das impurezas superficiais seria a principal razão para essa transição do desempenho de umedecimento do PCP para o PCP litiado. O pó de grafite foi posteriormente usado para testar sua molhabilidade com metal Li. Depois de misturar continuamente, o pó de grafite pode ser uniformemente disperso na matriz de metal Li, confirmando ainda uma propriedade litiofílica da grafite. Aproveitando esta descoberta, um novo método de composição de grafite-metal de Li foi proposto e anodos de compósito de grafite de Li com uma grande área podem ser produzidos em grande escala.

Este trabalho não apenas estuda sistematicamente a molhabilidade do metal Li e materiais de carbono à base de grafite, mas também fornece uma nova ideia para a construção de materiais de ânodo composto de Li-carbono, o que é útil para o desenvolvimento de baterias de metal de lítio de alta energia.