段曦东/朱建EnSM：引导锂金属电池空间和外延均匀锂沉积的微环境工程

锂沉积形态的调控对于延长锂金属电池的循环寿命至关重要。枝晶生长是一个主要的问题，它受到锂沉积微环境的影响，包括锂离子传输路径的曲率，以及隔膜和支架的内部空间和表面化学成分。

图1 材料制备及作用示意

湖南大学段曦东、朱建等报告了一种用于实用锂金属电池（LMB）的新型隔膜-界面-支架的微环境，其中支架和隔膜的表面化学成分被调整以创造一个低曲率的传输路径，并诱导空间和外延的锂沉积。具体而言，这项工作以不同含量的聚丙烯腈（PAN）和氮化硼纳米片（BNNSs）构建称为”纳米片包纤维”的三维结构，这些结构作为容纳锂的支架和隔膜，为LMB创造了一个有利的微环境。系统研究表明，该微环境能使锂的传输不受阻碍，有充足的锂成核点，减轻了体积膨胀，减少了成核障碍，并具有强大的支架耐久性。

此外，它为锂沉积提供了有效的空间和外延引导，特别是在高沉积量时。值得注意的是，与传统的PP隔膜相比，该隔膜表现出更好的Li⁺传输性能（0.73 S cm^-1）和更高的Li⁺转移数（0.69）。另外，BNNSs作为一种原位热分散介质，有效地消除了热点的局部温度。

图2 半电池性能

基于这样的精心设计，所产生的LMB表现出优异的稳定性，在5 mA cm^-2/5 mAh cm^-2的条件下，表现出5542小时的无枝晶循环，电压滞后为13 mV。它还显示了在50 mA cm^-2的超高电流和高达20 mAh cm^-2的深层沉积/剥离下500小时的稳定循环。此外，值得注意的是，实现了13855 mAh cm^-2的显著累积沉积容量。并且，与具有高负载质量商业正极配对的全电池也提供了明显改善的倍率和循环稳定性能。这项研究强调了沉积微环境在改善高能量存储设备的LMB方面的关键作用。

图3 与NCM523和LFP匹配的全电池性能

Microenvironment engineering for Guiding Spatially and Epitaxially Uniform Lithium Plating in Lithium Metal Batteries. Energy Storage Materials 2023. DOI: 10.1016/j.ensm.2023.102878

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