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陳遠(yuǎn)富/賀加瑞EnSM: Fe3N@N摻雜石墨烯作為穩(wěn)定鋰金屬電池的親鋰中間層

由于其超高的理論容量，鋰（Li）金屬負(fù)極對(duì)于高能可充電電池具有重要意義。然而，重復(fù)充放電過(guò)程中鋰枝晶的生長(zhǎng)會(huì)刺穿隔膜，導(dǎo)致短路和嚴(yán)重的安全問(wèn)題。

在此，為了有效抑制鋰枝晶生長(zhǎng)，電子科技大學(xué)陳遠(yuǎn)富教授、賀加瑞等人首次在商用PP隔膜上提出了一種新型親鋰中間層，該中間層 (Fe₃N@NG) 由嵌入并包裹在N摻雜石墨烯納米片中的F_e3N納米顆粒構(gòu)成。N摻雜的rGO作為緩沖基底，具有較強(qiáng)的機(jī)械強(qiáng)度和豐富的N原子，可以抑制Li枝晶的生長(zhǎng)。

另一方面，F(xiàn)e₃N納米粒子的內(nèi)核具有較高的化學(xué)穩(wěn)定性、良好的離子擴(kuò)散性、較低的轉(zhuǎn)化反應(yīng)電位和電化學(xué)活性，為均勻的Li沉積提供了豐富的沉積位點(diǎn)，降低了施加于負(fù)極的局部電流密度并生成穩(wěn)定的固體電解質(zhì)膜，從而抑制了鋰枝晶的生長(zhǎng)和副反應(yīng)的發(fā)生。

圖1. Fe₃N@NG功能材料的制備和表征

結(jié)合理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以驗(yàn)證配有Fe₃N@NG保護(hù)隔膜的鋰金屬電池（LMBs）循環(huán)壽命的提高，因?yàn)楦男愿裟た梢杂行Т龠M(jìn)鋰離子傳輸并調(diào)節(jié)界面鋰離子通量，從而抑制鋰枝晶的生長(zhǎng)。同時(shí)，基于Fe₃N@NG/PP隔膜的Li//Li對(duì)稱(chēng)電池在2300 h內(nèi)表現(xiàn)出穩(wěn)定的鍍鋰/剝離過(guò)程，在5 mA cm^-2的高電流密度下也具有較小過(guò)電位（55.8 mV），顯示出極高的循環(huán)穩(wěn)定性。

此外，使用LFP正極和Fe₃N@NG/PP隔膜構(gòu)建的Li//LFP全電池也表現(xiàn)出更出色的循環(huán)性能和優(yōu)異的倍率性能。這項(xiàng)研究所提出的隔膜改性策略為提高LMBs的壽命和容量提供了有效的途徑，同時(shí)也拓寬了創(chuàng)新鋰金屬電池材料制備策略的視野。

圖2. 用于LMB的PP和Fe₃N@NG/PP隔膜的電化學(xué)性能對(duì)比

Fe₃N@N-doped Graphene as a Lithiophilic Interlayer for Highly Stable Lithium Metal Batteries, Energy Storage Materials 2021. DOI: 10.1016/j.ensm.2021.12.010

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