国科大EnSM：3D 电子/离子导电网络的集成负极，用于稳定的锂金属电池

锂金属负极因其超高的理论比容量和较低的氧化还原电位而受到越来越多的关注。然而，负极/隔膜界面的副反应所导致的严重界面问题极大地阻碍了其应用。

在此，中国科学院大学姚霞银、肖睿娟等人采用聚（偏氟乙烯-共六氟丙烯）基聚合物电解质，通过界面粘结策略设计了一种三维锂-硼（LiB）纤维集成锂负极与聚丙烯隔膜。

研究表明，化学蚀刻后的三维Li/锂电池负极可将交换电流密度提高到 36.8 mA cm^-2，约为原始负极 2.6 mA cm^-2 的 14 倍。同时，基于聚偏氟乙烯-六氟丙烯的聚合物电解质确保了高离子电导率和界面稳定性。因此，具有三维电子/离子导电网络的集成负极可以引导锂沉积并抑制锂枝晶的生长。

此外，刚性 LiB 骨架与柔性 PVDF-HFP 基聚合物电解质的耦合可有效防止锂负极在长期循环过程中的粉化，在 1 C 条件下可实现 1000 次循环，容量保持率高达 76%。

图1. 集成负极的结构表征

总之，该工作通过界面粘结策略，设计并实现了具有三维电子和离子导电网络的集成锂负极。该复合负极不仅能将交换电流密度提高到 36.8 mA cm^-2，还能作为镀锂的耐膨胀空间。同时，基于 PVDF-HFP 的聚合物电解质为集成负极提供了良好的锂离子传导途径。基于此，锂离子通量在整个三维电极内部分布均匀，从而在 15 mAh cm^-2 的高沉积条件下实现了均匀锂沉积。

此外，刚性 LiB 骨架与柔性 PVDF-HFP 基聚合物电解质的耦合还能有效防止锂负极在循环过程中粉化。基于集成锂负极的 “NMC83 “锂电池在 5 C 条件下表现出卓越的倍率能力，放电容量为 168.3 mAh g^-1，即使在 1 C 条件下循环 1000 次后仍能保持 76% 的初始容量。因此，该项研究凸显了锂负极界面重构的重要性，为锂金属电池的实际应用提供了一种新策略。

图2. 电化学性能

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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