宁波所刘兆平/周旭峰Nano Energy：自适应三维骨架助力实用锂金属软包电池

由于“死锂”聚集而增加的浓差极化和电池电阻是导致实际锂金属电池循环过程中容量衰减的主要因素之一。解决上述问题需要能够适应“死锂”动态体积膨胀的有效策略。

中科院宁波材料所刘兆平、周旭峰等通过苯胺单体在三聚氰胺泡沫(MF)上的原位聚合成功地制备了聚苯胺包覆的MF（PANI&MF）3D主体，以在实际锂金属软包电池中用作锂金属负极(LMA)的自适应主体材料。

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图1. PANI&MF的制备和表征

模拟结果表明，适度导电的PANI&MF可以减轻锂枝晶尖端的电子积累，从而实现均匀的锂离子通量。同时，锂枝晶和“死锂”引起的体积变化可以通过可压缩的PANI&MF主体释放。

此外，具有更密集导电网络的压缩PANI&MF显示出更强的电子耗散能力，以降低枝晶尖端的局部电流密度。因此，在更高堆叠压力下的无负极软包电池显示出更好的循环稳定性。

宁波所刘兆平/周旭峰Nano Energy：自适应三维骨架助力实用锂金属软包电池

图2. NCM811锂金属软包电池性能

因此，PANI&MF改性铜箔的库仑效率(CE)在 3.8 mAh/cm²的高面容量下在100 次循环内显示出长期稳定性。同时，Li对称电池在5.0 mAh/cm²下可实现2750 h的稳定循环。可行的制备工艺使能够生产大面积的PANI&MF，以将锂或铜箔改性为实用的锂金属软包电池。结果，与裸铜箔相比，0.2 Ah无负极PANI&MF-Cu/NCM811软包电池在容量保持率和CE方面有很大提高。

在实用测试条件下，采用PANI&MF-Li/NCM811的0.6 Ah软包电池在80次循环后可提供85%的容量保持率。由PANI&MF-Li负极和NCM811正极组成的2.6 Ah软包电池的能量密度可达350 Wh/kg。这种具有体积自适应和压力增强电子耗散能力的宿主能够实现锂金属电池的长期循环，在实用锂金属电池中显示出有吸引力的应用潜力。

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图3. COMSOL模拟得到的锂枝晶和PANI&MF主体在不同状态下的电子分布

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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