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寧波所劉兆平/周旭峰Nano Energy：自適應(yīng)三維骨架助力實(shí)用鋰金屬軟包電池

由于“死鋰”聚集而增加的濃差極化和電池電阻是導(dǎo)致實(shí)際鋰金屬電池循環(huán)過程中容量衰減的主要因素之一。解決上述問題需要能夠適應(yīng)“死鋰”動態(tài)體積膨脹的有效策略。

中科院寧波材料所劉兆平、周旭峰等通過苯胺單體在三聚氰胺泡沫(MF)上的原位聚合成功地制備了聚苯胺包覆的MF（PANI&MF）3D主體，以在實(shí)際鋰金屬軟包電池中用作鋰金屬負(fù)極(LMA)的自適應(yīng)主體材料。

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圖1. PANI&MF的制備和表征

模擬結(jié)果表明，適度導(dǎo)電的PANI&MF可以減輕鋰枝晶尖端的電子積累，從而實(shí)現(xiàn)均勻的鋰離子通量。同時，鋰枝晶和“死鋰”引起的體積變化可以通過可壓縮的PANI&MF主體釋放。

此外，具有更密集導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的壓縮PANI&MF顯示出更強(qiáng)的電子耗散能力，以降低枝晶尖端的局部電流密度。因此，在更高堆疊壓力下的無負(fù)極軟包電池顯示出更好的循環(huán)穩(wěn)定性。

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圖2. NCM811鋰金屬軟包電池性能

因此，PANI&MF改性銅箔的庫侖效率(CE)在 3.8 mAh/cm²的高面容量下在100 次循環(huán)內(nèi)顯示出長期穩(wěn)定性。同時，Li對稱電池在5.0 mAh/cm²下可實(shí)現(xiàn)2750 h的穩(wěn)定循環(huán)。可行的制備工藝使能夠生產(chǎn)大面積的PANI&MF，以將鋰或銅箔改性為實(shí)用的鋰金屬軟包電池。結(jié)果，與裸銅箔相比，0.2 Ah無負(fù)極PANI&MF-Cu/NCM811軟包電池在容量保持率和CE方面有很大提高。

在實(shí)用測試條件下，采用PANI&MF-Li/NCM811的0.6 Ah軟包電池在80次循環(huán)后可提供85%的容量保持率。由PANI&MF-Li負(fù)極和NCM811正極組成的2.6 Ah軟包電池的能量密度可達(dá)350 Wh/kg。這種具有體積自適應(yīng)和壓力增強(qiáng)電子耗散能力的宿主能夠?qū)崿F(xiàn)鋰金屬電池的長期循環(huán)，在實(shí)用鋰金屬電池中顯示出有吸引力的應(yīng)用潛力。

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圖3. COMSOL模擬得到的鋰枝晶和PANI&MF主體在不同狀態(tài)下的電子分布

Self-adaptive 3D Skeleton with Charge Dissipation Capability for Practical Li Metal Pouch Cells. Nano Energy 2021. DOI: 10.1016/j.nanoen.2021.106805

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