南京林业大学付宇、蔡晨阳《AFM》：通过阴极-凝胶电解质与人工SEI的集成设计，实现先进的Li-SPAN电池

Li-SPAN电池具有显著的能量密度和高库仑效率，是一种前景广阔的储能系统。然而，阴极电化学动力学的固有迟缓性和锂阳极的不稳定性阻碍了其循环寿命。

近日，南京林业大学付宇教授、蔡晨阳博士提出了一种针对SPAN阴极和锂金属阳极的双表面工程新策略，从而获得具有优异电化学性能的集成设计Li-SPAN电池。具体而言，采用冰模板法构建的SPAN阴极垂直排列结构显著改善了电极内的锂离子扩散，此外，阴极与集成凝胶聚合物电解质的整合增强了SPAN阴极的循环稳定性。另外，在锂金属阳极上原位构建MOF-on-COF(C-on-L)人工固体电解质界面（SEI）层对于提高锂阳极的稳定性和有效抑制锂枝晶的生长起着至关重要的作用。研究显示，通过筛分效应，C-on-L@Li电极的锂离子传输数达到了0.86，这种效应促进了锂通量的均匀沉积，并延迟了枝晶的成核。因此，最终的Li-SPAN电池性能卓越，在1000次循环后仍能保持891.5 mAh g-1的高容量，而且容量衰减率极低，每次循环仅为 0.037%。这些结果展示了Li-SPAN电池的巨大实用潜力，并强调了集成结构设计对实现长循环寿命电池的重要意义。

文章要点：

1. 这项工作通过开发一种高性能SPAN/凝胶聚合物电解质集成结构阴极和人工SEI改良阳极，解决了先进Li-SPAN电池系统所面临的挑战。

2. 具体而言，SPAN阴极采用冰模板法制备，形成了具有垂直排列通道的低迂回电极，这种通道有利于锂离子的快速扩散，并提高了SPAN阴极的电化学动力学性能。

3. 为防止电池组装过程中排列结构坍塌，在电极上涂覆了由聚（偏氟乙烯-六氟丙烯）（PVDFHFP）和醋酸纤维素（CA）组成的凝胶聚合物电解质（GPE）溶液。将GPE与对阴极整合在一起有几个好处：它可适应SPAN阴极在充电/放电过程中的剧烈体积变化，抑制硫酸锂的积累，并解决液态电解质泄漏的问题，这有助于提高SPAN阴极的循环稳定性。

4. 在锂金属阳极方面，为了稳定锂金属阳极，作者制备了一种核壳MOF-on-COF人工SEI（ASEI）。该ASEI首次采用了核壳结构，即MOF-on-COF CAU1-on-LUZ1 (C-on-L)。这种结构大大提高了电解质/阳极界面相容性和锂阳极的稳定性。

5. 此外，孔径为18 Å的LZU1-COF壳有利于锂离子的快速传输。另一方面，CAU1内核的可进入孔径为3.8Å，只允许锂离子（d = 1.52 Å）通过，同时阻止PF6-阴离子（d = 7.0 Å）通过。因此，C-on-L ASEI可以实现超高的锂离子传输数，即使在高电流密度下也能抑制锂枝晶。

6. 得益于上述优势，具有一体化结构的Li-SPAN电池表现出卓越的电化学性能。这些发现可能会为进一步的创新提供灵感，推动实现更高效、更可持续的能源存储解决方案。

原文链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202306484

转自：“高分子科学前沿”微信公众号

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