鋰金屬負(fù)極在實(shí)際應(yīng)用中的倍率和循環(huán)性能不足，這主要?dú)w因于有害的枝晶生長(zhǎng)，尤其是在高電流下。

南京大學(xué)胡征、吳強(qiáng)等報(bào)道了通過(guò)方便的真空過(guò)濾在商業(yè)聚丙烯隔膜上輕松構(gòu)建了具有導(dǎo)熱氮化鋁(AlN)納米線的多孔且堅(jiān)固網(wǎng)絡(luò)。

圖1 鋰沉積行為的示意圖

AlN具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性(319 W m^-1 K^-1)、高剛性(23.7 GPa)、和對(duì)鋰金屬的電化學(xué)穩(wěn)定性，可用作穩(wěn)定鋰負(fù)極的理想屏蔽。對(duì)于這樣構(gòu)造的AlN NW-PP復(fù)合隔膜，高導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)致熱分布均勻，此外，AlN獨(dú)特的微/納米網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和表面化學(xué)極性使其具有優(yōu)越的電解質(zhì)親和力。

因此，正如有限元模擬結(jié)果所支持的那樣，AlN NW-PP不僅可以促進(jìn)均勻的鋰沉積以實(shí)現(xiàn)無(wú)枝晶負(fù)極，而且還可以促進(jìn)鋰離子的傳輸，其Li⁺遷移數(shù)(0.51)也高于PP隔膜(0.37)。此外，堅(jiān)固的網(wǎng)絡(luò)可以作為最后一道柵欄抵抗枝晶的穿透，同時(shí)緩解循環(huán)過(guò)程中體積變化的應(yīng)變。

圖2 對(duì)稱Li|Li電池在不同條件下的電化學(xué)性能

研究顯示，采用AlN NW-PP，Li|Li電池表現(xiàn)出超過(guò)8000小時(shí)（20 mA cm^-2、3 mAh cm^-2）和的超長(zhǎng)壽命，即使在前所未有的高倍率下（80 mA cm^-2, 80 mAh cm^-2)也能循環(huán)超過(guò)1000小時(shí)。相應(yīng)的Li|LiFePO₄電池在10 C時(shí)具有84.3 mAh g^-1 的高比容量。

此外，當(dāng)用于鈉金屬電池時(shí)，AlN NW-PP在Na沉積/剝離方面也顯示出優(yōu)勢(shì)，可在5 mA cm^-2下獲得600小時(shí)的穩(wěn)定的循環(huán)性能。原則上，AlN NW-PP也可以有效地用于其他受枝晶生長(zhǎng)困擾的金屬負(fù)極，例如K或Zn負(fù)極，并且AlN網(wǎng)絡(luò)也可以被其他一些剛性導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)（例如類金剛石碳）替代，這為耐用和高倍率金屬負(fù)極提出了一般策略。

圖3 鋰金屬電極的SEM圖像和有限元模擬

Thermally Conductive AlN-Network Shield for Separators to Achieve Dendrite-Free Plating and Fast Li-Ion Transport toward Durable and High-Rate Lithium-Metal Anodes. Advanced Science 2022. DOI: 10.1002/advs.202200411