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为解决锂金属阳极（LMA）存在的库伦效率低、锂枝晶生长难以控制和体积变化大等问题，研究人员开展了以富含亚纳米孔碳球封装锡单原子（Sn/CS@SC）作为锂宿主的研究，结果显示该宿主能实现高效储锂，对提升锂电池性能意义重大。
在当今科技飞速发展的时代，锂离子电池作为各类电子设备和电动汽车的 “能量心脏”，其性能的提升至关重要。传统的石墨阳极已逐渐逼近理论容量极限，而金属锂凭借高达 3860 mAh g
?1的理论比容量，成为极具潜力的下一代锂离子电池阳极材料。然而，锂金属阳极在实际应用中却困难重重。
首先，锂金属阳极在充放电过程中，会与有机电解液发生不可逆的副反应，导致固体电解质界面（SEI）不断重复形成和分解，使得锂的消耗加剧，库伦效率（CE）远低于商业化的性能目标。其次，锂枝晶的生长如同不受控制的 “树枝”，在电池内部肆意蔓延，不仅会刺穿隔膜，引发短路，还会造成电池容量的快速衰减。此外，锂金属在充放电时巨大的体积变化，就像不断膨胀和收缩的 “气球”，会破坏电池结构，进一步降低电池的稳定性和循环寿命。这些问题严重阻碍了锂金属阳极在实际中的应用。
为了攻克这些难题，研究人员开展了一项极具创新性的研究，旨在寻找一种新型的锂宿主材料，解决锂金属阳极面临的困境。研究人员制备了富含亚纳米孔碳球封装锡单原子（Sn/CS@SC）的材料，并将其作为锂宿主进行研究。最终发现，Sn/CS@SC 展现出优异的性能，在酯类电解液中，经过 600 次循环后，库伦效率高达 99.8%；以其为阳极，与 LiNi<sub>0.8</sub>Co<sub>0.1</sub>Mn<sub>0.1</sub>O<sub>2</sub>（NCM811）阴极组成的全电池，在高电流密度下循环 500 次后，容量保持率仍能达到约 80%。这一成果为提升锂电池性能带来了新的希望，有望推动下一代高能量密度锂离子电池的发展。
在这项研究中，研究人员运用了多种先进的技术方法。材料表征方面，利用场发射扫描电子显微镜（FESEM）、透射电子显微镜（TEM）、高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）等观察材料的微观形貌；通过 X 射线衍射（XRD）分析晶体结构；借助 X 射线光电子能谱（XPS）研究表面化学状态。电化学表征方面，采用恒电流间歇滴定技术（GITT）测试锂离子扩散系数和储能动力学；通过循环伏安测试评估材料的电化学性能；组装硬币电池和软包电池进行充放电测试。此外，还运用了密度泛函理论模拟研究锂离子的吸附能。
下面来看具体的研究结果：
- Sn/CS@SC 的形成：研究人员通过连续的热还原和软碳（SC）涂层处理，成功制备出 Sn/CS@SC。从微观结构来看，其粒子光滑且尺寸均匀，软碳涂层很薄，锡原子高度分散在碳球上，并且通过多种表征手段确定了其化学组成和晶体结构特征。
- Sn/CS@SC 的组成表征和理论计算：通过扩展 X 射线吸收精细结构（EXAFS）和 X 射线吸收近边结构（XANES）测试，明确了锡原子在 Sn/CS@SC 中的化学状态和配位模式为 Sn-N<sub>4</sub>配位。密度泛函理论模拟表明，Sn/CS@SC 对锂离子具有较高的吸附能，展现出良好的亲锂性。
- Sn/CS@SC 的结构表征：通过 N<sub>2</sub>/CO<sub>2</sub>吸附 - 脱附测试、小角 X 射线散射（SAXS）和广角 X 射线散射（WAXS）等技术，研究人员发现 SC 涂层成功将 Sn/CS 的中孔转化为 Sn/CS@SC 的亚纳米孔，这些亚纳米孔能够有效阻止电解液的渗透，减少副反应的发生。
- 不同宿主中的锂化过程：通过研究不同宿主在锂存储过程中的电压曲线、微观形貌变化以及进行非原位 XRD 测试和 XPS 测试等，研究人员发现 Sn/CS@SC 能够在亚纳米孔中存储准金属锂（QM-Li），而不是形成金属锂，有效抑制了锂枝晶的生长，且结构稳定。
- 不同宿主上的锂存储行为：GITT 测试显示 Sn/CS@SC 具有最高的锂离子扩散系数，反应动力学更快。通过 XPS、HRTEM、Nyquist 图和原位光学显微镜等手段，研究人员发现 Sn/CS@SC 在循环过程中界面稳定性好，能够有效抑制锂枝晶生长和体积变化。
- 半电池、全电池和软包电池的性能：半电池测试表明，Sn/CS@SC 在不同电流密度和比容量下都展现出优异的循环稳定性和高库伦效率。对称电池和全电池测试显示，基于 Sn/CS@SC 的电池具有出色的循环稳定性和高容量保持率，软包电池也能稳定循环并为发光二极管灯泡供电。
研究结论表明，Sn/CS@SC 通过原位形成的锡单原子实现了亚纳米孔和界面化学的协同调控。亚纳米孔的限域效应有效抑制了电解液与活性准金属锂之间的副反应，而 Sn-N<sub>4</sub>之间的强相互作用增加了锂离子亲和力，使得准金属锂能够存储在亚纳米孔中。这一设计使得 Sn/CS@SC 宿主在酯类电解液中实现了高锂存储容量和高库伦效率，相应的全电池也展现出良好的容量保持率。该研究为解决锂金属阳极的难题提供了新的策略和方向，有望推动高能量密度锂离子电池的发展，在电子设备和电动汽车等领域具有广阔的应用前景。
