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鋰沉積形態的調控對于延長鋰金屬電池的循環壽命至關重要。枝晶生長是一個主要的問題，它受到鋰沉積微環境的影響，包括鋰離子傳輸路徑的曲率，以及隔膜和支架的內部空間和表面化學成分。

圖1 材料制備及作用示意

湖南大學段曦東、朱建等報告了一種用于實用鋰金屬電池（LMB）的新型隔膜-界面-支架的微環境，其中支架和隔膜的表面化學成分被調整以創造一個低曲率的傳輸路徑，并誘導空間和外延的鋰沉積。具體而言，這項工作以不同含量的聚丙烯腈（PAN）和氮化硼納米片（BNNSs）構建稱為”納米片包纖維”的三維結構，這些結構作為容納鋰的支架和隔膜，為LMB創造了一個有利的微環境。系統研究表明，該微環境能使鋰的傳輸不受阻礙，有充足的鋰成核點，減輕了體積膨脹，減少了成核障礙，并具有強大的支架耐久性。

此外，它為鋰沉積提供了有效的空間和外延引導，特別是在高沉積量時。值得注意的是，與傳統的PP隔膜相比，該隔膜表現出更好的Li⁺傳輸性能（0.73 S cm^-1）和更高的Li⁺轉移數（0.69）。另外，BNNSs作為一種原位熱分散介質，有效地消除了熱點的局部溫度。

圖2 半電池性能

基于這樣的精心設計，所產生的LMB表現出優異的穩定性，在5 mA cm^-2/5 mAh cm^-2的條件下，表現出5542小時的無枝晶循環，電壓滯后為13 mV。它還顯示了在50 mA cm^-2的超高電流和高達20 mAh cm^-2的深層沉積/剝離下500小時的穩定循環。此外，值得注意的是，實現了13855 mAh cm^-2的顯著累積沉積容量。并且，與具有高負載質量商業正極配對的全電池也提供了明顯改善的倍率和循環穩定性能。這項研究強調了沉積微環境在改善高能量存儲設備的LMB方面的關鍵作用。

圖3 與NCM523和LFP匹配的全電池性能

Microenvironment engineering for Guiding Spatially and Epitaxially Uniform Lithium Plating in Lithium Metal Batteries. Energy Storage Materials 2023. DOI: 10.1016/j.ensm.2023.102878

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段曦東/朱建EnSM：引導鋰金屬電池空間和外延均勻鋰沉積的微環境工程

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