德国亥姆赫兹柏林能源与材料研究所徐耀林Carbon Energy:碳材料用于稳定锂金属负极的挑战，策略与展望

01 研究背景

锂金属负极具有极高的比容量，是下一代高能量电池负极的绝佳选择。然而，锂金属负极具有循环寿命差、安全性不好等问题。碳材料因其来源广泛成本低廉、种类多样、结构多变等特性，能够发挥不同功效以改善锂金属负极的性能。因此，对于各种碳材料如何发挥作用，值得进行研究和总结。

02 内容简介

德国亥姆赫兹柏林能源与材料研究所徐耀林团队讨论了碳材料应用在锂金属负极研究中的几个主要的作用：（1）提供锂金属沉积的载体，（2）调制锂离子流以达到均匀的金属沉积，（3）稳定锂金属负极的界面层。文章特别讨论了碳材料在无负极锂金属电池和固态锂金属电池中的应用，同时展望了碳材料应用于锂金属负极仍然存在的挑战。论文以“Carbon materials for stable Li metal anodes: Challenges, solutions, and outlook”为题目发表在Carbon Energy上。

03 内容与讨论

1. 应用于锂金属负极的碳材料载体

三维碳材料载体能够有效抑制锂金属负极的体积变化。另外，掺杂了异种原子的碳材料（比如掺杂石墨烯，碳衍生物质）具有更好的锂金属亲和性，能够促进锂金属均匀渗透在碳载体内部，改善锂金属的沉积均匀性，从而减缓了锂金属枝晶的生长。

图1. 锂金属负极碳材料载体

2. 调制锂离子流以改善锂金属沉积行为

大比表面积的碳材料能够有效减小电极的电流密度，减少局部的快速锂金属沉积以及锂枝晶的生长。此外，经过表面处理的碳材料具有较好的锂金属亲和性，能够促进锂金属的均匀形核以及沉积。

图2. 调制锂沉积的碳材料框架

3. 稳定锂金属表面的界面层

碳材料具有较高的力学强度，很好的物理化学稳定性，因而是制备适用于锂金属负极的人造界面膜的好的选择。此外，有的碳材料界面膜能够传导电子，锂金属能够在碳材料的上表面沉积。这种导电子的碳材料能够与锂金属形成较为亲和锂金属的锂-碳复合物，能够促进锂金属的均匀沉积。

图3. 稳定界面层的碳材料

04 结论与展望

       本综述总结了不同碳材料在稳定锂金属电极特别是在无负极锂金属电池和固态锂金属电池中所发挥的不同功效与作用。取决于不同碳材料的性质与特点，它们能够作为锂金属的载体，或者调制锂离子流以改善锂金属沉积行为，又或者稳定锂金属表面的界面层。需要注意的是，这些碳材料经常同时发挥着多种功能。此外，碳材料在锂金属负极的改进方面还有广阔的应用空间与许多未知的领域值得去挖掘。

相关论文信息

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论文标题：

Carbon materials for stable Li metal anodes: Challenges, solutions, and outlook

论文网址：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/cey2.147

DOI:10.1002/cey2.147

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