金属碳材料应用于锂离子电池负极材料具有独特的优势：优异的导电性、低成本、良好的生物相容性等。虽然石墨负极的成功商业化极大地推动了锂电池产业的发展，但其有限的理论比容量 (372 mAhg-1)，越来越不能满足当今先进电子设备、电动汽车等对高性能电池的要求，急需研发锂离子电池负极材料的替代品，其中多孔碳材料成为了研究热点，它不仅可以为锂离子提供更多的吸附位点，从而提高容量，而且其多孔的骨架结构可以保证良好的稳定性。但由于无序的孔隙和结构缺陷，实验室合成的多孔碳材料的电导率和库仑效率都相对较低。因此，多孔金属碳或半金属碳材料的研究引起了人们广泛的兴趣。
要设计新型碳材料，采用新的结构单元是一种有效的方法。实验上观察到石墨烯中的一维拓扑5-5-8线缺陷，为新型碳材料的设计提供了可能性。例如：由5-5-8碳结构组成的一种花生形碳纳米管表现出金属性和低晶格热导率；由5-5-8单元组成的一种二维碳结构具有半金属性和较高的电子费米速度等；通过引入5-5-8线缺陷可以有效地调控扶手椅(Armchair)型石墨烯纳米带的电子结构和磁性。但此前尚未有关于采用5-5-8碳纳米带构建三维金属碳结构并应用于电池负极材料的研究报道。
近日，北京大学材料科学与工程学院王前教授课题组与其合作者通过以碳二聚物连接5-5-8碳纳米带的锯齿边，设计了一种由5-5-8碳纳米带和碳二聚物组装而成的三维多孔碳结构，命名为Hex-C558。他们应用第一性原理计算验证了这种结构的稳定性，并系统地研究了其力学性质、电子结构以及作为锂离子电池负极材料的性能，发现该体系具有优良的热力学稳定性和动力学稳定性，并可承受1200 K的高温；更为重要的是，Hex-C558表现出金属性，这主要是由于5-5-8碳纳米带中碳原子pz轨道的电子是离域的，形成了沿孔洞方向的导电通道。作为锂离子电池负极材料，Hex-C558拥有591 mAhg-1的可逆容量、0.27~0.52 eV 的迁移势垒和0.51 V的平均开路电压，以及2.4%的超低体膨胀率。这些优异的性能有利于锂离子快速的嵌入和脱出，提高了电池的倍率性能；还可以满足负极材料较低的氧化还原电位的需求，并在一定程度上可以防止枝晶的生长，进而增加电池的安全性和使用寿命。此研究表明: 5-5-8碳纳米带可以作为设计新型功能碳材料的结构基元，由其所构成的多孔金属性Hex-C558作为锂离子电池负极材料具有很好的性能。
相关工作近日发表于爱思唯尔旗下的知名学术期刊Carbon，(Hex-C558: A new porous metallic carbon allotrope for lithium-ion battery anode DOI：10.1016/j.carbon.2021.07.045)；该论文第一作者为博士研究生倪冬原，通讯作者为王前教授。
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