据外媒报道，最近，在《ACS应用能源材料》（ACS Applied Energy Materials）杂志上发表的一篇文章中，韩国科学技术院（Korea Advanced Institute of Science and Technology）等机构的研究人员讨论了将具有锥形孔的海胆状分层碳球作为三维（3D）锂宿主来抑制枝晶。
（图片来源：KAIST）
背景
可充电电池具有高能量密度，需求量很高。长期以来，金属锂一直被视为一种理想的负极材料，因其具有极高的能量密度，并且还原电位最低。尽管如此，实际应用时仍存在阻碍。
目前，克服锂金属电池商业应用障碍的方法有三种：机械控制、界面控制和宿主材料设计。由于吸附能稳定、Li+通量易于控制，关于锂宿主材料的合理设计备受关注。具有3D结构架构的锂宿主颇有前景。
碳质材料（石墨烯、碳纳米纤维、还原石墨烯氧化物和碳纳米管等）具有良好的化学稳定性、导电性和机械强度，是最受欢迎的锂宿主载体。此外，改变这些材料的表面和结构以提高亲油性，可以大大降低锂沉积过程中产生的过电位。
关于这项研究
在这项研究中，研究人员提出开发一种具有锥形孔结构的海胆状分层碳球（SUHCP）。该碳球可作为三维锂宿主，以抑制枝晶生长。这种分层3D多孔结构可以有效地容纳锂，同时避免体积增加。
该团队开发了一种独特的3D多孔碳结构。该结构具有分层和锥形孔，可作为无枝晶锂金属电池的锂宿主。不同于以往的碳结构，这种碳结构可用于从孔隙内部均匀地容纳锂。采用锥形孔结构中的谷状构造，可使Li+通量均匀分布，并降低电荷浓度。这进一步抑制了锂枝晶的形成，从而改善电池性能，并实现高倍率能力和长循环寿命。
观察
Cu、HC和SU-HCP的成核电压分别为 -66、 -50和 -43 mV。拉曼光谱在1350和1600 cm-1处有两个明显的D和G带峰，分别对应无定形碳层和有序石墨层。其比表面积（SBET）为985.1 m2 g-1，BET的孔容积为 0.9194 cm3 g-1。HC的SBET为278.9 m2 g-1，孔容积为0.0263 cm3 g-1。
与HC和裸铜箔相比，SU-HCP在高电流密度（5.0 mA cm-2、2.0 mA cm-2和1.0 mA cm-2）下表现出更高的循环稳定性。经过100次循环，Li/SU-HCP电芯的库仑效率（CE）值分别为92%和87%，而Li/HC电芯和Li/裸铜箔电芯表现不佳。
在0.5 mA cm-2的电流密度下，Li/SU-HCP电芯表现出更好的循环稳定性，经过250次循环后库仑效率达到95%。而Li/裸铜箔电芯和Li/HC电芯分别在90和130次循环后快速降解。
与之前报道的3D多孔碳结构相比，电子显微图像和电池性能研究结果表明，锥形孔结构中的多个谷状构造，有助于更好的容纳锂。作为均匀分布的电荷中心，孔隙中心促进了锂沉积。
内部成核会影响锂的生长。在0.5 mA cm-2的电流密度下，该碳载体架构的长期循环寿命超过250次，当电流密度达到5 mA cm-2时，动力学性能得到改善，可以显著抑制状锂枝晶生长，从而提高电池性能。
结论
综上所述，本研究探讨了利用铜作为锂金属电池负极基板，开发一种海胆状的分层锥形孔结构。在Li/Cu电芯测试中，该基板表现出优异的电化学性能，即使在电流密度值为0.5 mA cm-2的情况下，经过循环250次后，也具有良好的库伦效率和循环稳定性。
通过透射电子显微镜（TEM）和扫描电子显微镜（SEM）可以看出，这种独特的针间3D锥形孔结构，具有很大的表面积。该结构对于实现一致的Li+通量沉积和分布，以及作为高密度Li沉积的电荷中心，具有重要意义。
研究人员指出，SU-HCP的这种良好特性，使Li能够均匀沉积，而不产生锂枝晶，从而实现非常稳定的循环性能。另外，在开发高性能锂金属电池时使用3D材料，有助于深入了解负极基板设计。
