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寧波所劉兆平/周旭峰Nano Energy：自適應三維骨架助力實用鋰金屬軟包電池

由于“死鋰”聚集而增加的濃差極化和電池電阻是導致實際鋰金屬電池循環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“死鋰”動態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，以在實際鋰金屬軟包電池中用作鋰金屬負極(LMA)的自適應主體材料。

寧波所劉兆平/周旭峰Nano Energy：自適應三維骨架助力實用鋰金屬軟包電池

圖1. PANI&MF的制備和表征

模擬結果表明，適度導電的PANI&MF可以減輕鋰枝晶尖端的電子積累，從而實現均勻的鋰離子通量。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，具有更密集導電網絡的壓縮PANI&MF顯示出更強的電子耗散能力，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極軟包電池顯示出更好的循環穩定性。

寧波所劉兆平/周旭峰Nano Energy：自適應三維骨架助力實用鋰金屬軟包電池

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 次循環內顯示出長期穩定性。同時，Li對稱電池在5.0 mAh/cm²下可實現2750 h的穩定循環。可行的制備工藝使能夠生產大面積的PANI&MF，以將鋰或銅箔改性為實用的鋰金屬軟包電池。結果，與裸銅箔相比，0.2 Ah無負極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次循環后可提供85%的容量保持率。由PANI&MF-Li負極和NCM811正極組成的2.6 Ah軟包電池的能量密度可達350 Wh/kg。這種具有體積自適應和壓力增強電子耗散能力的宿主能夠實現鋰金屬電池的長期循環，在實用鋰金屬電池中顯示出有吸引力的應用潛力。

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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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