哈工大：一種(zhǒng)簡單有效的方法抑制锂 枝晶，改善锂硫電池性能(néng)！

本文來自微信公衆号“材料科學(xué)與工程”

锂金屬負極上的锂化 Nafion （ Li+-Nafion ）薄塗層已被(bèi)證明能(néng)夠抑制锂枝晶生長(cháng)。然而，锂金屬在空氣中穩定性差、與水反應性強等缺點給塗層制備帶來了不便。爲了解決這(zhè)個問題，哈工大方海濤教授團隊通過(guò)超聲波噴塗方法制備了高度均勻的Li+-Nafion薄塗層聚丙烯（PP）集流體 ，在電池中， Li+-Nafion 薄塗層與锂金屬負極接觸，充當負極的人工固态電解質界面(miàn)（ SEI ）膜。

在噴塗的Li+-Nafion水溶液中添加N，N-二甲基甲酰胺對(duì)于沉積厚度均勻（0.8μm）的Li+-Nafion塗層至關重要，由于噴塗的Li+-Nafion溶液與聚丙烯集流體的潤濕性得到了改善。均勻的Li+-Nafion塗層顯著地將(jiāng)聚丙烯集流體的Li+轉移數（tLi+）從0.34增加到0.76，改進(jìn)的tLi+和Li+-Nafion塗層的高度均勻性使聚丙烯集流體能(néng)夠抑制锂枝晶生長(cháng)，從而提高锂硫電池的循環性能(néng)。 這(zhè)項工作不僅爲 Nafion 基人工 SEI 膜的制備提供了一種(zhǒng)簡單有效的方法，而且爲在锂金屬負極上引入各種(zhǒng)人工 SEI 膜提供了一條新的途徑， 以實現長(cháng)壽命和安全的锂金屬電池。相關成(chéng)果以 “Highlyuniform lithiated nafion thin coating on separator as an artificial SEI layer of lithium metal anode toward suppressed dendrite growth” 發(fā)表在 Electrochimica Acta 上。

锂金屬電極由于其高理論比容量（3860mAh g-1）和低氧化還(hái)原電位，被(bèi)認爲是最有前途的可再充電負極。由于锂枝晶生長(cháng)嚴重限制了锂金屬負極的實際應用。因此，迫切需要有效的策略來抑制锂枝晶的生長(cháng)，并使锂金屬負極具有高可逆性，以實現安全和長(cháng)壽命的锂金屬電池。

研究人員提出通過(guò)不同途徑，優化電解液組成(chéng)（锂鹽、溶劑和添加劑）、在锂電極上原位或非原位構建人工固态電解質界面(miàn)（SEI）、使用三維材料、使用單一锂離子導電膜作爲集流體、以及對(duì)集流體進(jìn)行改性，可以抑制锂枝晶。在這(zhè)些方法中，具有高锂離子導電性和堅固化學(xué)結構的锂化Nafion（Li+-Nafion）引起(qǐ)了廣泛關注，Li+-Nafion已被(bèi)用作電解質膜材料和人工SEI材料。相關研究表明，Li+-Nafion電解質膜和人工Li+-NafionSEI層可以使锂離子在負極/電解質界面(miàn)的通量均勻化，以維持均勻的锂鍍層。在锂硫電池文獻中，在集流體上沉積了厚度爲幾微米的薄Nafion塗層，以防止多硫化物的穿梭效應，并且Nafion塗層的表面(miàn)與硫正極的接觸，受這(zhè)種(zhǒng)結構的啓發(fā)，如果Nafion塗層面(miàn)向(xiàng)锂負極并與锂負極緊密接觸，它可以充當人造SEI膜，同時(shí)在锂負極上制備NafionSEI膜的問題也可以得到解決，但到目前爲止還(hái)沒(méi)有此類研究的報道(dào)。

一個巨大的挑戰在于，在集流體上制備高度均勻的薄Nafion塗層非常困難，集流體上用作人工SEI膜的薄Nafion塗層需要比用作多硫化物交叉屏障的塗層均勻得多，否則，由于锂離子通量在锂/集流體界面(miàn)上的不均勻分布，在沒(méi)有塗層或塗層較少的區域下方優先鍍锂，從而導緻锂枝晶的生長(cháng)。

在此，作者提出了一種(zhǒng)簡便的方法，即使用超聲波噴塗在聚丙烯（PP）集流體上沉積高度均勻的Li+-Nafion薄膜。在Li+-Nafion水溶液中加入N，N-二甲基甲酰胺（DMF），以改善噴塗液滴與聚丙烯集流體基體的潤濕性，這(zhè)對(duì)于使用超聲波噴塗工藝在聚丙烯集流體上制備厚度均勻的Nafion薄膜至關重要。Li+-Nafion薄塗層將(jiāng)聚丙烯集流體的Li+轉移數顯著地從0.34增加到0.76，離子電導率從7.24降低到2.77×10−4Scm-1，Li+-Nafion薄塗層的高度均勻性，以及Li+-Nafion（HU）/PP的改進(jìn)的Li+轉移數，均勻的Li+-Nafion薄塗層與锂負極緊密接觸時(shí)抑制锂枝晶生長(cháng)。相比之下，由普通Nafion溶液制備的聚丙烯集流體上的Li+-Nafion塗層具有不均勻的形态，從而産生更多的锂枝晶，無法改善锂硫電池的循環性能(néng)。因此，Li+-Nafion塗層提高了锂硫電池的循環性能(néng)。這(zhè)項工作不僅爲Nafion基人工SEI膜的制備提供了一種(zhǒng)有效的方法，而且爲在锂負極上通過(guò)适當的塗層引入高質量人工SEI膜提供了一種(zhǒng)新方法。（文：李澍）