鋰金屬是石墨負(fù)極有希望的替代品，然而，由于安全問題和容量快速衰退，鋰金屬負(fù)極尚未在工業(yè)中采用。這些不利因素主要源于不均勻的鋰沉積和剝離以及大體積變化導(dǎo)致的鋰枝晶生長(zhǎng)。

圖1 隔膜和負(fù)極的協(xié)同作用示意

德克薩斯農(nóng)工大學(xué)Choongho Yu等展示了將復(fù)合隔膜和多孔三維CNT電極結(jié)合起來(lái)的協(xié)同方法，其可以解決鋰金屬負(fù)極的問題。過去，大多數(shù)人都致力于開發(fā)采用多孔框架或隔膜的鋰金屬負(fù)極。

然而，這項(xiàng)工作的一系列模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這些單個(gè)組件不可能解決有害問題，因此有必要引入單一隔膜和負(fù)極無(wú)法提供的效果。該工作設(shè)計(jì)的電子絕緣復(fù)合層可以使通過聚丙烯隔膜的Li⁺通量分散。

此外，所采用的CNT在合成過程中會(huì)自行纏結(jié)，并形成三維多孔結(jié)構(gòu)，無(wú)需任何粘結(jié)劑即可獲得極佳的機(jī)械彈性。由于聚合物層與CNT之間的接觸面積較大，可防止分層，因此，這對(duì)于消除隔膜與負(fù)極之間的空隙至關(guān)重要。

相反，傳統(tǒng)的聚丙烯隔膜和負(fù)極無(wú)法防止中間空隙的形成，從而加速鋰枝晶的生長(zhǎng)以及通過聚丙烯隔膜的局部Li⁺傳輸。

圖2 固態(tài)電解質(zhì)膜的表征

進(jìn)一步通過有限元分析（FEA），作者從理論上預(yù)測(cè)了每種情況下Li⁺濃度在隔膜上分布的不同趨勢(shì)：從商用聚丙烯隔膜和2D鋰金屬負(fù)極到擬議的含有固態(tài)電解質(zhì)(SE)的復(fù)合隔膜和3D CNT負(fù)極。基于隔膜和負(fù)極的協(xié)同作用，采用LiFePO₄和NMC811的全電池顯示出優(yōu)異的循環(huán)性能：在第750次和235次循環(huán)時(shí)，容量保持率分別為 80%。

此外，高負(fù)載NMC811（4 mAh cm^-2）全電池顯示出334 Wh kg^-1和783 Wh L^-1的最大電池級(jí)能量密度。

總體而言這項(xiàng)研究提出了一種通過采用鋰金屬來(lái)提高能量密度的解決方案，考慮到最近傳統(tǒng)正極的進(jìn)步有限，這不失為一種可行的選擇。

圖3 全電池性能

Delocalized Lithium Ion Flux by Solid-State Electrolyte Composites Coupled with 3D Porous Nanostructures for Highly Stable Lithium Metal Batteries. ACS Nano 2023. DOI: 10.1021/acsnano.3c04526