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西湖大學(xué)徐宇曦ACS Nano：用于穩(wěn)定鋰金屬電池的新興二維聚合物

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西湖大學(xué)徐宇曦ACS Nano：用于穩(wěn)定鋰金屬電池的新興二維聚合物
近年來(lái)，鋰金屬負(fù)極（LMAs）因其高理論容量（3860 mAh g-1）和低電化學(xué)電位（-3.040 V vs標(biāo)準(zhǔn)氫電極）而備受關(guān)注。鋰金屬可以與各種正極結(jié)合以構(gòu)建高能量密度鋰金屬電池（LMBs），這對(duì)下一代電池具有廣闊的前景。然而，不穩(wěn)定的固體電解質(zhì)中間相（SEI）和不可控的鋰枝晶生長(zhǎng)嚴(yán)重阻礙了LMAs的商業(yè)發(fā)展。新興的二維聚合物(2DPs)具有高機(jī)械柔韌性、高比表面積、豐富的表面化學(xué)和豐富的化學(xué)改性特性，在解決LMAs的固有問(wèn)題方面顯示出巨大優(yōu)勢(shì)。
西湖大學(xué)徐宇曦等全面回顧了2DPs在液基和固基電池中用于穩(wěn)定且無(wú)枝晶LMAs的研究進(jìn)展。還討論了在LMBs中應(yīng)用2DPs的一些觀點(diǎn)。相信新興的2DPs將為開(kāi)發(fā)高能量密度LMBs及其他方面電池提供見(jiàn)解。
西湖大學(xué)徐宇曦ACS Nano：用于穩(wěn)定鋰金屬電池的新興二維聚合物
圖1 2DPs應(yīng)用于鋰金屬負(fù)極的示意圖
盡管2DPs已被證明在液基和固基電池中可有效保護(hù)鋰負(fù)極，但仍有一些問(wèn)題和未來(lái)的前景需要強(qiáng)調(diào)：
(1) 2DPs作為液態(tài)電解液中的添加劑，使用電解液添加劑被認(rèn)為是穩(wěn)定LMAs的一種經(jīng)濟(jì)有效的方法。盡管已將2DPs作為添加劑引入固態(tài)聚合物電解質(zhì)中，但很少有研究將2DPs作為添加劑在液態(tài)電解液的應(yīng)用。更多的研究可以集中在使用2DPs作為液態(tài)電解液中的添加劑。應(yīng)仔細(xì)研究液態(tài)電解液中添加的2DPs的濃度、粒徑和表面化學(xué)性質(zhì)對(duì)鋰沉積的影響。
(2)與無(wú)機(jī)固態(tài)電解質(zhì)相比，2DPs作為固態(tài)電解質(zhì)基體的研究和應(yīng)用還處于起步階段，應(yīng)該做更多的工作來(lái)增加作為固態(tài)電解質(zhì)基體的2DPs的種類(lèi)。例如，具有不同表面化學(xué)性質(zhì)的二維COFs。此外，還可以研究不同晶體尺寸的2DPs對(duì)電導(dǎo)率的影響。
西湖大學(xué)徐宇曦ACS Nano：用于穩(wěn)定鋰金屬電池的新興二維聚合物
圖2 2DPs修飾的隔膜
(3)與高容量正極耦合，要實(shí)現(xiàn)高能量密度的鋰金屬電池，與高容量正極，如S、O2、Se和Cl2正極耦合至關(guān)重要。然而，由于鋰枝晶生長(zhǎng)以及氣體、多硫化物和多硒化物對(duì)鋰金屬的腐蝕，這些高容量電池通常表現(xiàn)出較差的性能。因此，受 2DPs保護(hù)的LMAs在高容量電池系統(tǒng)中具有巨大的潛力。
(4) 2DPs作為硫化物電解質(zhì)的界面層，2DPs已被證明作為L(zhǎng)LZO和鋰金屬之間的界面層，可以大大改善不良的界面接觸。硫化物電解質(zhì)是另一種有前景的固態(tài)電解質(zhì)，但它對(duì)鋰金屬不穩(wěn)定。在這種情況下，2DPs可能是一種很有前景的二維材料，可用作穩(wěn)定鋰硫化物電解質(zhì)界面的中間層。
(5)到目前為止，2DPs已成功用于穩(wěn)定鋰負(fù)極。上述大多數(shù)鋰負(fù)極策略仍有望用于開(kāi)發(fā)穩(wěn)定的Na/K/Zn金屬負(fù)極。例如，2DPs也可以用作人工SEI層來(lái)調(diào)節(jié)Na/K/Zn沉積并抑制枝晶生長(zhǎng)。未來(lái)，可以進(jìn)行更多的研究來(lái)使用2DPs來(lái)保護(hù)Na/K/Zn金屬負(fù)極。
西湖大學(xué)徐宇曦ACS Nano：用于穩(wěn)定鋰金屬電池的新興二維聚合物
圖3 2DPs 作為無(wú)機(jī)固態(tài)電解質(zhì)的界面層
Emerging Two-Dimensional Covalent and Coordination Polymers for Stable Lithium Metal Batteries: From Liquid to Solid. ACS Nano 2021. DOI: 10.1021/acsnano.1c09194

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