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由于豐富的極性基團和良好的親鋰性，蛋白質材料在鋰金屬電池（LMB）中的應用重新引發學術界的興趣。目前用于改性鋰（Li）負極的具有α構象的蛋白質通常具有較差的機械性能，因此非常需要先進的蛋白質材料。

在此，天津工業大學徐志偉教授、石海婷等人研究了具有完整β折疊構型、高親鋰性巰基和柱狀納米孔的溶菌酶膜，以揭示電解質/Li界面處的Li⁺沉積行為。具體而言，作者在聚偏氟乙烯（PVDF）靜電紡絲氈上形成了具有完整β-片狀結構的溶菌酶淀粉樣聚集體。通過SR-SAXS、納米壓痕和COMSOL多場耦合計算，作者詳細分析了Li金屬界面的機械強度、Li⁺濃度和SEI組成。

結果顯示，溶菌酶膜介導的鋰金屬界面表現出較高的機械強度和Li⁺結合能，其彈性模量比不完全β-折疊構型蛋白高5倍，同時巰基極性基團對Li⁺的吸附能力是傳統肽鍵的1.6倍。此外，具有柱狀納米孔的大孔PVDF電紡墊和溶菌酶膜促進了Li⁺在Li金屬表面的均勻分布。

圖1. 金屬鋰的沉積行為

因此，與具有PVDF隔膜的電池相比，基于PVDF/溶菌酶隔膜的Li-Li對稱電池表現出更高的循環穩定性。具有溶菌酶改性的Li-Li對稱電池在電流密度為3 mA cm^-2、容量為1 mAh cm^-2時可穩定循環約680小時，且在2800小時（3 mA cm^-2和3 mAh cm^-2）和2400小時（1 mA cm^-2和1 mAh cm^-2）內分別表現出穩定的電壓平臺。相比之下，帶PVDF隔膜的電池只能在~30 mV的高過電位下運行200小時。

此外，采用PVDF/溶菌酶隔膜的Li-LFP電池在1 C下循環超過1450次后的可逆容量為135 mAh g^-1，表現出非常優異的循環性能。相反，帶有PVDF隔膜的Li-LFP電池在不到200次循環后顯示出顯著的容量下降。總之，這項工作為構建基于生物蛋白質材料的分子與電化學物種相互作用的系統工程，以賦予鋰金屬負極高倍率/高面積容量的優良循環性能提供了思路。

圖2. PVDF/溶菌酶隔膜在循環過程中的表面演變

Tuning Interface Mechanics Via β-Configuration Dominant Amyloid Aggregates for Lithium Metal Batteries, ACS Nano 2022. DOI: 10.1021/acsnano.2c10551

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?徐志偉/石海婷ACS Nano: 通過淀粉樣蛋白聚集體調節鋰金屬電池界面力學

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