​孙克宁/王振华ACS Nano：介孔材料MCM-41调节锂金属电池的溶剂化结构

为了开发可逆锂金属负极，通过调节Li⁺溶剂化结构构建理想的固体电解质界面 （SEI）是克服锂枝晶和有限CE等主要障碍的有力途径。

在此，北京理工大学孙克宁教授、王振华教授等人将球形介孔分子筛MCM-41纳米颗粒涂覆在商用PP隔膜上构建了MCM-41@PP @MCM-41复合隔膜，用于调节锂金属电池（LMBs）的Li⁺溶剂化结构。其中，作者首先通过水热法获得球形 MCM-41纳米颗粒，然后通过简单的刮刀工艺制备柔性MCM-41@PP @MCM-41复合隔膜。

研究表明，调节的溶剂化结构呈现出更多的接触离子对（CIP）和离子聚集体（AGG）的聚集状态，说明成功地在锂负极中构建了均匀的富含无机物的SEI。同时，复合隔膜中丰富且有序的纳米通道可导致均匀的Li⁺通量并提高离子电导率。更有趣的是，调节的溶剂化结构削弱了溶剂与Li⁺之间的相互作用，导致Li⁺去溶剂化势垒低并引发均匀的Li沉积。

图1. 复合隔膜与PP隔膜的性能表征对比

因此，在没有任何添加剂的传统碳酸酯基电解液中，基于复合隔膜的Li||Cu电池实现了～96.76%的高平均CE，远高于基于PP隔膜的电池（89.7%）。在0.5 mA cm^-2、1.0 mAh cm^-2条件下，采用MCM-41@PP @MCM-41隔膜组装的对称电池可稳定运行约1000小时。

作为比较，基于PP隔膜的对称电池在600小时后显示出强烈的极化、短路和电压波动。更重要的是，基于MCM-41@PP @MCM-41 组装的Li | LFP电池在600次循环后容量保持率为88.2%。同时，带有MCM-41@PP @MCM-41隔膜的Li | NCM 622电池可保持比PP隔膜更高的容量和容量保持率（55次循环后为87.8%）。因此，采用介孔材料调控电解液中的Li⁺溶剂化结构是构建理想SEI和实现无枝晶锂负极的有力途径。

图2. 基于复合隔膜组装的Li | LFP/NCM622电池性能

Regulating Solvation Structures Enabled by the Mesoporous Material MCM-41 for Rechargeable Lithium Metal Batteries, ACS Nano 2022. DOI: 10.1021/acsnano.2c08441