研究人員使用海膽狀碳球作為3D鋰宿主 以抑制枝晶生長

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 Scienceand 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（3D）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-43mV。拉曼光譜在1350和1600cm-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985.1m2g-1，BET的孔容積為0.9194cm3g-1。HC的SBET為278.9m2g-1，孔容積為0.0263cm3g-1。

與HC和裸銅箔相比，SU-HCP在高電流密度（5.0mAcm-2、2.0mAcm-2和1.0mAcm-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0.5mAcm-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0.5mAcm-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5mAcm-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0.5mAcm-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。

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