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林展/張丙凱AFM：可大規(guī)模制備的親鋰/親鈉緩沖層實現(xiàn)穩(wěn)定的鋰/鈉金屬電池

金屬鋰/鈉(Li/Na)被認為是未來高能量密度電池有吸引力的負極。阻礙其應用的根本原因來自不均勻的鋰/鈉成核和隨后的枝晶形成。

廣東工業(yè)大學林展、張丙凱等提出了一種經(jīng)濟高效且可擴展的固-固轉化法，在Li/Na表面上構建薄的親鋰/親鈉多孔緩沖層，以制備功能化的Li/Na負極。

圖1 新型緩沖層的制備方法和緩沖層形態(tài)

在此，源自天然蠶絲纖維（SF）和碳納米管（CNT）的氮（N）和硫（S）摻雜碳片（SFC/CNT）在聚偏二氟乙烯(PVDF)粘結劑的輔助下澆鑄到聚酯（PET）薄膜上。干燥后，PET薄膜上的緩沖層在適當?shù)臏囟群蛪毫ο驴烧掣皆贚i/Na負極表面，厚度約為25 μm。這種獨特的方法不僅避免了緩沖層制備過程中的溶劑腐蝕，而且還實現(xiàn)了可擴展的高質量緩沖層構造。

X射線光電子能譜(XPS)和密度泛函理論(DFT)計算表明，Li/Na-N和Li/Na-S簇的形成是Li/Na沉積的主要活性位點，從而導致Li/Na與緩沖層之間的自擴散機制，這有助于在重復的Li/Na沉積/剝離過程中均勻Li/Na成核和無枝晶的橫向生長行為。

圖2 基于鋰負極的高性能紐扣電池和軟包電池性能

研究顯示，親鋰/親鈉緩沖層可實現(xiàn)長期循環(huán)穩(wěn)定性（>250次循環(huán)），并具有高庫侖效率（Li為99.2%，Na為98.8%）、低極化和平坦的電壓曲線。更重要的是，LiFePO₄|Li軟包電池的循環(huán)性能大大提高，壽命為390次。

此外，使用超薄鋰負極（25 μm）還可以在低負/正比（1.67）下實現(xiàn)穩(wěn)定的LiNi_1/3Mn_1/3Co_1/3O₂|Li 電池，循環(huán)次數(shù)為200次。另外，Na₃V₂(PO₄)₃|Na電池顯示出600次循環(huán)的高穩(wěn)定循環(huán)性能，且衰減可忽略不計，進一步證明SFC/CNT緩沖層在實際電池中在技術上是可行的。

該研究提供了一種簡便的策略，用于為低成本和可放大的儲能裝置制備致密且均勻的親鋰/親鈉緩沖層。

圖3 鈉負極的可循環(huán)性和形態(tài)表征

Scalable Lithiophilic/Sodiophilic Porous Buffer Layer Fabrication Enables Uniform Nucleation and Growth for Lithium/Sodium Metal Batteries. Advanced Functional Materials 2022. DOI: 10.1002/adfm.202200967

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