ZnO修饰中空碳球限域锂沉积策略提升锂金属负极性能研究

针对锂金属负极存在的枝晶生长、体积膨胀和SEI膜不稳定等问题，研究人员通过构建ZnO修饰的中空碳球（ZnO@HC）三维宿主材料，实现了锂金属的定向沉积与空间限域。该设计使电池在1 mA cm?2 电流密度下实现98%的库伦效率（300次循环），对称电池寿命超1000小时，极化电压仅9 mV，为高安全性能量存储提供了新思路。

　　

随着化石能源枯竭，电动汽车对高能量密度电池的需求日益迫切。锂金属负极因其3860 mAh g^?1
的超高比容量和-3.04 V（vs. SHE）的极低氧化还原电位被视为终极选择，但枝晶生长引发的热失控、循环中的无限体积变化以及不稳定的固态电解质界面膜（SEI）成为重大挑战。传统策略如人工保护层、电解液添加剂等往往忽视体积波动问题，而三维宿主材料通过调节局部电流密度可延缓枝晶形成——根据Sand公式τ∝1/j²
，降低有效电流密度能显著延长枝晶萌生时间。

中南大学研究团队创新性地设计出ZnO修饰的中空碳球（ZnO@HC）三维宿主。通过模板法合成碳包覆SiO₂
纳米球，经刻蚀和锌盐渗透烧结获得内嵌ZnO的中空结构。该设计融合三重优势：中空碳球的高比表面积（调控电流密度）、ZnO的强亲锂性（诱导内部成核）以及空腔结构（缓冲体积膨胀）。XRD证实材料中存在六方纤锌矿结构ZnO（特征峰31.8°、36.3°等），SEM显示均匀的球形形貌与纳米级孔道。

Synthesis of C@SiO₂
template
采用溶胶-凝胶法合成SiO₂
纳米球，通过间苯二酚-甲醛聚合在其表面包覆碳层，氢氟酸刻蚀后获得中空碳球。锌盐溶液通过浓度梯度扩散进入空腔，高温烧结后形成ZnO@HC。

Results and discussion
电化学测试显示：ZnO@HC在1 mA cm^?2
/1 mAh cm^?2
条件下库伦效率达98%，远超纯碳宿主（82%）。对称电池在相同参数下稳定循环1000小时，极化电压仅9 mV，而对照组200小时后即短路。原位光学显微镜证实锂金属优先在球体内部沉积，XPS分析揭示ZnO与锂反应生成Li_x
Zn合金和Li₂
O，共同构成稳定SEI膜。

Conclusions
该研究通过仿生限域设计实现锂金属的定向沉积，中空结构使电极厚度变化率从纯锂片的171%降至23%。ZnO@HC宿主兼具物理限域与化学诱导双重功能，其提出的"内部优先沉积"机制为高安全锂金属电池开发提供了新范式。

CRediT authorship contribution statement
第一作者Wan-Jing Yu完成概念设计与论文撰写，Fan Liu负责实验实施，通讯作者Minggang Li指导研究方向。研究获得国家科技重大专项（2024ZD1004006）支持，计算资源由中南大学高性能计算中心提供。

这项工作的核心突破在于将传统"抑制枝晶"策略升级为"空间编程沉积"，通过材料结构设计实现锂金属自组织有序生长。该成果发表于《Journal of Energy Storage》，为下一代电池技术发展提供了重要参考。