據(jù)外媒報道，最近，在《ACS應(yīng)用能源材料》（ACS Applied Energy Materials）雜志上發(fā)表的一篇文章中，韓國科學技術(shù)院（Korea Advanced Institute of Science and Technology）等機構(gòu)的研究人員討論了將具有錐形孔的海膽狀分層碳球作為三維（3D）鋰宿主來抑制枝晶。
（圖片來源：KAIST）
背景
可充電電池具有高能量密度，需求量很高。長期以來，金屬鋰一直被視為一種理想的負極材料，因其具有極高的能量密度，并且還原電位最低。盡管如此，實際應(yīng)用時仍存在阻礙。
目前，克服鋰金屬電池商業(yè)應(yīng)用障礙的方法有三種：機械控制、界面控制和宿主材料設(shè)計。由于吸附能穩(wěn)定、Li+通量易于控制，關(guān)于鋰宿主材料的合理設(shè)計備受關(guān)注。具有3D結(jié)構(gòu)架構(gòu)的鋰宿主頗有前景。
碳質(zhì)材料（石墨烯、碳納米纖維、還原石墨烯氧化物和碳納米管等）具有良好的化學穩(wěn)定性、導電性和機械強度，是最受歡迎的鋰宿主載體。此外，改變這些材料的表面和結(jié)構(gòu)以提高親油性，可以大大降低鋰沉積過程中產(chǎn)生的過電位。
關(guān)于這項研究
在這項研究中，研究人員提出開發(fā)一種具有錐形孔結(jié)構(gòu)的海膽狀分層碳球（SUHCP）。該碳球可作為三維鋰宿主，以抑制枝晶生長。這種分層3D多孔結(jié)構(gòu)可以有效地容納鋰，同時避免體積增加。
該團隊開發(fā)了一種獨特的3D多孔碳結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)具有分層和錐形孔，可作為無枝晶鋰金屬電池的鋰宿主。不同于以往的碳結(jié)構(gòu)，這種碳結(jié)構(gòu)可用于從孔隙內(nèi)部均勻地容納鋰。采用錐形孔結(jié)構(gòu)中的谷狀構(gòu)造，可使Li+通量均勻分布，并降低電荷濃度。這進一步抑制了鋰枝晶的形成，從而改善電池性能，并實現(xiàn)高倍率能力和長循環(huán)壽命。
觀察
Cu、HC和SU-HCP的成核電壓分別為 -66、 -50和 -43 mV。拉曼光譜在1350和1600 cm-1處有兩個明顯的D和G帶峰，分別對應(yīng)無定形碳層和有序石墨層。其比表面積（SBET）為985.1 m2 g-1，BET的孔容積為 0.9194 cm3 g-1。HC的SBET為278.9 m2 g-1，孔容積為0.0263 cm3 g-1。
與HC和裸銅箔相比，SU-HCP在高電流密度（5.0 mA cm-2、2.0 mA cm-2和1.0 mA cm-2）下表現(xiàn)出更高的循環(huán)穩(wěn)定性。經(jīng)過100次循環(huán)，Li/SU-HCP電芯的庫侖效率（CE）值分別為92%和87%，而Li/HC電芯和Li/裸銅箔電芯表現(xiàn)不佳。
在0.5 mA cm-2的電流密度下，Li/SU-HCP電芯表現(xiàn)出更好的循環(huán)穩(wěn)定性，經(jīng)過250次循環(huán)后庫侖效率達到95%。而Li/裸銅箔電芯和Li/HC電芯分別在90和130次循環(huán)后快速降解。
與之前報道的3D多孔碳結(jié)構(gòu)相比，電子顯微圖像和電池性能研究結(jié)果表明，錐形孔結(jié)構(gòu)中的多個谷狀構(gòu)造，有助于更好的容納鋰。作為均勻分布的電荷中心，孔隙中心促進了鋰沉積。
內(nèi)部成核會影響鋰的生長。在0.5 mA cm-2的電流密度下，該碳載體架構(gòu)的長期循環(huán)壽命超過250次，當電流密度達到5 mA cm-2時，動力學性能得到改善，可以顯著抑制狀鋰枝晶生長，從而提高電池性能。
結(jié)論
綜上所述，本研究探討了利用銅作為鋰金屬電池負極基板，開發(fā)一種海膽狀的分層錐形孔結(jié)構(gòu)。在Li/Cu電芯測試中，該基板表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學性能，即使在電流密度值為0.5 mA cm-2的情況下，經(jīng)過循環(huán)250次后，也具有良好的庫倫效率和循環(huán)穩(wěn)定性。
通過透射電子顯微鏡（TEM）和掃描電子顯微鏡（SEM）可以看出，這種獨特的針間3D錐形孔結(jié)構(gòu)，具有很大的表面積。該結(jié)構(gòu)對于實現(xiàn)一致的Li+通量沉積和分布，以及作為高密度Li沉積的電荷中心，具有重要意義。
研究人員指出，SU-HCP的這種良好特性，使Li能夠均勻沉積，而不產(chǎn)生鋰枝晶，從而實現(xiàn)非常穩(wěn)定的循環(huán)性能。另外，在開發(fā)高性能鋰金屬電池時使用3D材料，有助于深入了解負極基板設(shè)計。
