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長期以來，由于鋰（Li）枝晶快速生長導致的庫侖效率低、壽命短、倍率性能差等問題一直阻礙著全固態鋰金屬電池（ASSLMB）的發展。

在此，中國科學院物理所吳凡團隊通過硫脲煅燒法開發了一種擴大層間距的多擴散通道 N,S 摻雜軟碳，用于無枝晶型負極。由于擴大的層間距可以提高層內的 Li⁺ 傳輸速率，而 N,S 摻雜可以促進層間的 Li⁺傳輸，因此可以改善體相擴散（而不僅僅是表面擴散）動力學，進而降低局部電流密度，抑制鋰枝晶的生長，提高倍率性能。由此產生的 ASSLMB 實現了創紀錄的高電流密度（15 mA cm^-2）、面容量（20 mAh cm^-2）、能量密度（403 Wh kg^-1）和超長循環壽命（13,000 次）。

圖1. 電池性能

總之，該工作利用硫脲煅燒軟碳制備了一種具有快速體擴散動力學的多擴散通道軟碳-硫脲-鋰負極，它能促進金屬鋰在負極內均勻沉積，從而在超高電流密度下抑制鋰枝晶的生長。硫脲在煅燒過程中會產生NH₃和H₂S，熱氣體分子能夠拓寬軟碳的層間距，從而促進Li⁺的傳輸。此外，Li⁺可以快速擴散到整個負極，并在整個區域內沉積，從而降低局部電流密度。

因此，在 0.25 mAh cm^-2時，鋰離子對稱電池表現出 36 mA cm^-2的超高臨界電流密度。采用 SC-TU-Li 負極和 LCO 正極的 ASSB 在 30 ℃（15 mA cm^-2）下循環 13,000 次后，容量保持率高達95%。電流密度和循環壽命都打破了迄今為止固態電池的最高水平（8.6 mA cm^-2和 10,000 次循環）。因此，該工作報告的 SC-TU-Li 負極在實際應用中具有巨大潛力，并可能代表 ASSB 開發過程中最重要的突破之一。

圖2.相場模擬

Soft Carbon-Thiourea With Fast Bulk Diffusion Kinetics For Solid-State Lithium Metal Batteries, Advanced Materials 2023 DOI: 10.1002/adma.202310395

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?物理所吳凡AM：具有快速本體擴散動力學的軟碳硫脲用于固態鋰金屬電池

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