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西湖大學徐宇曦ACS Nano：用于穩定鋰金屬電池的新興二維聚合物

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西湖大學徐宇曦ACS Nano：用于穩定鋰金屬電池的新興二維聚合物
近年來，鋰金屬負極（LMAs）因其高理論容量（3860 mAh g-1）和低電化學電位（-3.040 V vs標準氫電極）而備受關注。鋰金屬可以與各種正極結合以構建高能量密度鋰金屬電池（LMBs），這對下一代電池具有廣闊的前景。然而，不穩定的固體電解質中間相（SEI）和不可控的鋰枝晶生長嚴重阻礙了LMAs的商業發展。新興的二維聚合物(2DPs)具有高機械柔韌性、高比表面積、豐富的表面化學和豐富的化學改性特性，在解決LMAs的固有問題方面顯示出巨大優勢。
西湖大學徐宇曦等全面回顧了2DPs在液基和固基電池中用于穩定且無枝晶LMAs的研究進展。還討論了在LMBs中應用2DPs的一些觀點。相信新興的2DPs將為開發高能量密度LMBs及其他方面電池提供見解。
西湖大學徐宇曦ACS Nano：用于穩定鋰金屬電池的新興二維聚合物
圖1 2DPs應用于鋰金屬負極的示意圖
盡管2DPs已被證明在液基和固基電池中可有效保護鋰負極，但仍有一些問題和未來的前景需要強調：
(1) 2DPs作為液態電解液中的添加劑，使用電解液添加劑被認為是穩定LMAs的一種經濟有效的方法。盡管已將2DPs作為添加劑引入固態聚合物電解質中，但很少有研究將2DPs作為添加劑在液態電解液的應用。更多的研究可以集中在使用2DPs作為液態電解液中的添加劑。應仔細研究液態電解液中添加的2DPs的濃度、粒徑和表面化學性質對鋰沉積的影響。
(2)與無機固態電解質相比，2DPs作為固態電解質基體的研究和應用還處于起步階段，應該做更多的工作來增加作為固態電解質基體的2DPs的種類。例如，具有不同表面化學性質的二維COFs。此外，還可以研究不同晶體尺寸的2DPs對電導率的影響。
西湖大學徐宇曦ACS Nano：用于穩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，要實現高能量密度的鋰金屬電池，與高容量正極，如S、O2、Se和Cl2正極耦合至關重要。然而，由于鋰枝晶生長以及氣體、多硫化物和多硒化物對鋰金屬的腐蝕，這些高容量電池通常表現出較差的性能。因此，受 2DPs保護的LMAs在高容量電池系統中具有巨大的潛力。
(4) 2DPs作為硫化物電解質的界面層，2DPs已被證明作為LLZO和鋰金屬之間的界面層，可以大大改善不良的界面接觸。硫化物電解質是另一種有前景的固態電解質，但它對鋰金屬不穩定。在這種情況下，2DPs可能是一種很有前景的二維材料，可用作穩定鋰硫化物電解質界面的中間層。
(5)到目前為止，2DPs已成功用于穩定鋰負極。上述大多數鋰負極策略仍有望用于開發穩定的Na/K/Zn金屬負極。例如，2DPs也可以用作人工SEI層來調節Na/K/Zn沉積并抑制枝晶生長。未來，可以進行更多的研究來使用2DPs來保護Na/K/Zn金屬負極。
西湖大學徐宇曦ACS Nano：用于穩定鋰金屬電池的新興二維聚合物
圖3 2DPs 作為無機固態電解質的界面層
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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