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?國科大EnSM：3D 電子/離子導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的集成負(fù)極，用于穩(wěn)定的鋰金屬電池

鋰金屬負(fù)極因其超高的理論比容量和較低的氧化還原電位而受到越來越多的關(guān)注。然而，負(fù)極/隔膜界面的副反應(yīng)所導(dǎo)致的嚴(yán)重界面問題極大地阻礙了其應(yīng)用。

在此，中國科學(xué)院大學(xué)姚霞銀、肖睿娟等人采用聚（偏氟乙烯-共六氟丙烯）基聚合物電解質(zhì)，通過界面粘結(jié)策略設(shè)計了一種三維鋰-硼（LiB）纖維集成鋰負(fù)極與聚丙烯隔膜。

研究表明，化學(xué)蝕刻后的三維Li/鋰電池負(fù)極可將交換電流密度提高到 36.8 mA cm^-2，約為原始負(fù)極 2.6 mA cm^-2 的 14 倍。同時，基于聚偏氟乙烯-六氟丙烯的聚合物電解質(zhì)確保了高離子電導(dǎo)率和界面穩(wěn)定性。因此，具有三維電子/離子導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的集成負(fù)極可以引導(dǎo)鋰沉積并抑制鋰枝晶的生長。

此外，剛性 LiB 骨架與柔性 PVDF-HFP 基聚合物電解質(zhì)的耦合可有效防止鋰負(fù)極在長期循環(huán)過程中的粉化，在 1 C 條件下可實(shí)現(xiàn) 1000 次循環(huán)，容量保持率高達(dá) 76%。

圖1. 集成負(fù)極的結(jié)構(gòu)表征

總之，該工作通過界面粘結(jié)策略，設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了具有三維電子和離子導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的集成鋰負(fù)極。該復(fù)合負(fù)極不僅能將交換電流密度提高到 36.8 mA cm^-2，還能作為鍍鋰的耐膨脹空間。同時，基于 PVDF-HFP 的聚合物電解質(zhì)為集成負(fù)極提供了良好的鋰離子傳導(dǎo)途徑?；诖?，鋰離子通量在整個三維電極內(nèi)部分布均勻，從而在 15 mAh cm^-2 的高沉積條件下實(shí)現(xiàn)了均勻鋰沉積。

此外，剛性 LiB 骨架與柔性 PVDF-HFP 基聚合物電解質(zhì)的耦合還能有效防止鋰負(fù)極在循環(huán)過程中粉化?；诩射囏?fù)極的 “NMC83 “鋰電池在 5 C 條件下表現(xiàn)出卓越的倍率能力，放電容量為 168.3 mAh g^-1，即使在 1 C 條件下循環(huán) 1000 次后仍能保持 76% 的初始容量。因此，該項(xiàng)研究凸顯了鋰負(fù)極界面重構(gòu)的重要性，為鋰金屬電池的實(shí)際應(yīng)用提供了一種新策略。

圖2. 電化學(xué)性能

Integrated anode with 3D electron/ion conductive network for stable lithium metal batteries, Energy Storage Materials 2024 DOI: 10.1016/j.ensm.2024.103201

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