美國國家科學院院刊PNAS最近刊發了北京大學工學院材料與科學工程系、北京大學應用物理與技術研究中心孫強教授研究組的研究論文“AllCarbonBasedPorousTopologicalSemimetalforLi-ionBatteryAnodeMaterial”，報道了他們在鋰離子電池負極材料研究領域的最新成果。

鋰離子電池因其較高的功率密度以及成熟的商業化應用在人們日常生活中扮演著重要的角色。但隨著科技的發展，特別是電動汽車領域的興起，現有的鋰離子電池越來越難以滿足人們對能源存儲的要求。鋰離子電池主要由正極、負極和電解液三部分構成，負極材料作為電池儲鋰的主要部分是提高鋰離子電池整體性能的關鍵之一，因此也一直是人們研究的熱點。石墨碳材料因有較好的穩定性和低的成本是現有商業鋰離子電池廣泛采用的負極材料，但其實際容量只有290～360mAh/g。雖然這個容量可以基本滿足現有電子產品對電池性能的要求，但對于對電池能量密度、倍率性、安全性有更高要求的電動汽車領域，其容量和倍率性能還有很大差距。另一方面，石墨碳材料的容量已經接近理論容量極限372mAh/g，要進一步提高電池的容量，必須尋找全新的鋰離子電池負極材料體系。多孔碳因具有大的比表面積和多的鋰離子吸附位點一直是人們尋找高比容量負極材料的熱點，但多孔碳儲鋰也有其固有的缺點：（1）多孔化會在材料中形成大量無序的缺陷，降低材料的導電性，進而影響電池的倍率性能。（2）鋰離子在孔洞與電解質的界面處發生大量不可逆反應，造成不可逆的容量損失，導致低的庫倫效率，一般的多孔碳材料的庫倫效率都低于50%。對于全電池來說，其正極可以攜帶的鋰離子總量是一定的，大的不可逆容量損失是一個致命的缺點。（3）常規的多孔碳中無序的孔洞不利于離子的擴散和電池倍率性能的提高。為了解決上述問題，理想的情況是找到一種三維的碳材料，其既具有有序的納米通道又具有高的導電性，而拓撲半金屬碳材料為此提供了可能性。

拓撲電子學是近年來物理學研究的前沿領域，2016年的諾貝爾物理學獎也授予了在此方向上作出開創性貢獻的三位物理學家。拓撲半金屬材料在費米面處具有線性的能帶色散關系，電子的有效質量為零，具有極高的電子遷移率。而且這種線性的能帶色散關系是由材料的整體結構決定的，是受對稱性保護的。這就為尋找具有高的導電性的三維多孔碳負極材料提供了可能性?；诖?，孫強課題組對最近被理論所預言的三維拓撲半金屬碳bco-C16作為鋰離子電池負極材料的可能性進行了系統的研究?；诘谝恍栽淼挠嬎惚砻鳎囯x子可以在bco-C16中可逆的脫嵌，其理論比容量為558mAh/g（Li-C4），遠高于商業化的石墨負極材料（Li-C6）。由于bco-C16具有一維的納米通道，鋰離子的擴散呈現明顯的一維特征，隨著鋰離子的嵌入，其擴散能壘由0.53eV降低至0.019eV，而且這種一維的鋰離子擴散特征在很大的拉伸和壓縮形變下仍會保持。計算的平均開路電壓為0.23V，脫嵌鋰的過程中bco-C16體積變化與石墨相當。上述結果表明，拓撲半金屬的多孔碳bco-C16負極與石墨碳相比具有更高的比容量、高的倍率性能、低的電極電位和很好的循環穩定性，因而具有很好的應用前景。

拓撲電子態和鋰離子電池是當今科學技術研究的兩大熱點。該研究用拓撲半金屬的碳材料做鋰電池的負極很自然地在這兩個領域之間架起了橋梁，這不僅為設計高性能的鋰離子電池指出了新的方向，而且更拓寬了拓撲電子態研究的應用領域。

該論文的第一和第二作者分別是博士研究生劉俊義和汪碩，通訊作者為孫強教授。該研究得到了國家重點研發計劃“新能源汽車”專項和國家自然科學基金委項目的資助。