研究人员使用海胆状碳球作为3D锂宿主 以抑制枝晶生长

据国外媒体报道，近日，在ACS Applied Energy Materials上发表的一篇文章中，来自韩国先进科学技术研究院等机构的研究人员讨论了使用带有锥形孔的海胆状层状碳球作为三维(3D)锂主体来抑制枝晶。

(来源:KAIST)

背景

可充电电池具有高能量密度和高需求。长期以来，金属锂因其极高的能量密度和最低的还原电位而被视为理想的负极材料。尽管如此，在实际应用中仍然存在障碍。

目前，克服锂金属电池商业化应用障碍的方法有三种:机械控制、界面控制和主体材料设计。由于Li+的吸附能稳定且易于控制，锂主体材料的合理设计备受关注。3D结构的锂基质很有前途。

碳材料(石墨烯、碳纳米纤维、还原氧化石墨烯和碳纳米管等。)具有良好的化学稳定性、导电性和机械强度，是最受欢迎的锂主体载体。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层状碳球(SUHCP)。碳球可以用作三维锂主体来抑制枝晶生长。这种层状3D多孔结构可以有效地包含锂，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。该结构具有层状和锥形孔，并且可以用作无枝晶锂金属电池的锂主体。与以前的碳结构不同，这种碳结构可以用于从孔内部均匀地容纳锂。通过在锥形孔结构中采用谷结构，可以均匀分布Li+通量，降低电荷浓度。这进一步抑制了锂枝晶的形成，从而改善了电池性能并实现了高倍率性能和长循环寿命。

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谱带，分别对应于非晶碳层和有序石墨层。其比表面积(SBET)为985.1 m2·g-1，BET的孔容为0.9194 cm3·g-1。HC的SBET为278.9 m2·g-1，孔体积为0.0263 cm3·g-1。

与HC和裸铜箔相比，SU-HCP在高电流密度(5.0mA·cm-2、2.0mA·cm-2和1.0mA·cm-2)下表现出更高的循环稳定性。100次循环后，Li/SU-HCP电池的库仑效率(CE)值分别为92%和87%，而Li/HC电池和Li/裸铜箔电池表现不佳。

在0.5mA·cm-2的电流密度下，锂/苏-HCP电池表现出较好的循环稳定性，250次循环后库仑效率达到95%。然而，锂/裸铜箔电池和锂/碳氢电池分别在90次和130次循环后迅速退化。

与先前报道的3D多孔碳结构相比，电子显微照片和电池性能研究的结果表明，锥形孔结构中的多个谷结构有助于更好地容纳锂。作为均匀分布的电荷中心，孔中心促进锂沉积。

内部成核会影响锂的生长。在0.5mA·cm-2的电流密度下，碳载体结构的长期循环寿命大于250次。当电流密度达到5ma·cm-2时，动态性能提高，可以显著抑制锂枝晶的生长，从而提高电池性能。

结论

综上所述，本研究讨论了使用铜作为锂金属电池负极基板的海胆状层状锥形孔结构的发展。在Li/Cu电池的测试中，该基底表现出优异的电化学性能，即使在电流密度为0.5mA·cm-2时，经过250次循环后仍具有良好的库仑效率和循环稳定性。

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。这种结构对于实现Li+通量的一致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，苏-HCP的这一良好特性使锂能够均匀沉积而没有锂枝晶，从而实现非常稳定的循环性能。此外，在高性能锂金属电池的开发中使用3D材料有助于理解负极基板的设计。

1据国外媒体报道，近日，在ACS Applied Energy Materials发表的一篇文章中，来自韩国先进科学技术研究院等机构的研究人员讨论了使用带有锥形孔的海胆状层状碳球作为三维(3D)锂主体来抑制枝晶。

(来源:KAIST)

背景

可充电电池具有高能量密度和高需求。长期以来，金属锂因其极高的能量密度和最低的还原电位而被视为理想的负极材料。尽管如此，在实际应用中仍然存在障碍。

目前，克服锂金属电池商业化应用障碍的方法有三种:机械控制、界面控制和主体材料设计。由于Li+的吸附能稳定且易于控制，锂主体材料的合理设计备受关注。3D结构的锂基质很有前途。

碳材料(石墨烯、碳纳米纤维、还原氧化石墨烯和碳纳米管等。)具有良好的化学稳定性、导电性和机械强度，是最受欢迎的锂主体载体。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层状碳球(SUHCP)。碳球可以用作三维锂主体来抑制枝晶生长。这种层状3D多孔结构可以有效地包含锂，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。该结构具有层状和锥形孔，并且可以用作无枝晶锂金属电池的锂主体。与以前的碳结构不同，这种碳结构可以用于从孔内部均匀地容纳锂。通过在锥形孔结构中采用谷结构，可以均匀分布Li+通量，降低电荷浓度。这进一步抑制了锂枝晶的形成，从而改善了电池性能并实现了高倍率性能和长循环寿命。

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谱带，分别对应于非晶碳层和有序石墨层。其比表面积(SBET)为985.1 m2·g-1，BET的孔容为0.9194 cm3·g-1。HC的SBET为278.9 m2·g-1，孔体积为0.0263 cm3·g-1。

与HC和裸铜箔相比，SU-HCP在高电流密度(5.0mA·cm-2、2.0mA·cm-2和1.0mA·cm-2)下表现出更高的循环稳定性。100次循环后，Li/SU-HCP电池的库仑效率(CE)值分别为92%和87%，而Li/HC电池和Li/裸铜箔电池表现不佳。

在0.5mA·cm-2的电流密度下，锂/苏-HCP电池表现出较好的循环稳定性，250次循环后库仑效率达到95%。然而，锂/裸铜箔电池和锂/碳氢电池分别在90次和130次循环后迅速退化。

与先前报道的3D多孔碳结构相比，电子显微照片和电池性能研究的结果表明，锥形孔结构中的多个谷结构有助于更好地容纳锂。作为均匀分布的电荷中心，孔中心促进锂沉积。

内部成核会影响锂的生长。在0.5mA·cm-2的电流密度下，碳载体结构的长期循环寿命大于250次。当电流密度达到5ma·cm-2时，动态性能提高，可以显著抑制锂枝晶的生长，从而提高电池性能。

结论

综上所述，本研究讨论了使用铜作为锂金属电池负极基板的海胆状层状锥形孔结构的发展。在锂/铜电池的测试中，该基板表现出优异的电化学性能，甚至当电流密度为0.5 mA时……m-2，循环250次后仍具有良好的库仑效率和循环稳定性。

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。这种结构对于实现Li+通量的一致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，苏-HCP的这一良好特性使锂能够均匀沉积而没有锂枝晶，从而实现非常稳定的循环性能。此外，在高性能锂金属电池的开发中使用3D材料有助于理解负极基板的设计。

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