哈工大：一种简单有效的方法抑制锂 枝晶，改善锂硫电池性能！

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锂金属负极上的锂化 Nafion （ Li+-Nafion ）薄涂层已被证明能够抑制锂枝晶生长。然而，锂金属在空气中稳定性差、与水反应性强等缺点给涂层制备带来了不便。为了解决这个问题，哈工大方海涛教授团队通过超声波喷涂方法制备了高度均匀的Li+-Nafion薄涂层聚丙烯（PP）集流体 ，在电池中， Li+-Nafion 薄涂层与锂金属负极接触，充当负极的人工固态电解质界面（ SEI ）膜。

在喷涂的Li+-Nafion水溶液中添加N，N-二甲基甲酰胺对于沉积厚度均匀（0.8μm）的Li+-Nafion涂层至关重要，由于喷涂的Li+-Nafion溶液与聚丙烯集流体的润湿性得到了改善。均匀的Li+-Nafion涂层显著地将聚丙烯集流体的Li+转移数（tLi+）从0.34增加到0.76，改进的tLi+和Li+-Nafion涂层的高度均匀性使聚丙烯集流体能够抑制锂枝晶生长，从而提高锂硫电池的循环性能。 这项工作不仅为 Nafion 基人工 SEI 膜的制备提供了一种简单有效的方法，而且为在锂金属负极上引入各种人工 SEI 膜提供了一条新的途径， 以实现长寿命和安全的锂金属电池。相关成果以 “Highlyuniform lithiated nafion thin coating on separator as an artificial SEI layer of lithium metal anode toward suppressed dendrite growth” 发表在 Electrochimica Acta 上。

锂金属电极由于其高理论比容量（3860mAh g-1）和低氧化还原电位，被认为是最有前途的可再充电负极。由于锂枝晶生长严重限制了锂金属负极的实际应用。因此，迫切需要有效的策略来抑制锂枝晶的生长，并使锂金属负极具有高可逆性，以实现安全和长寿命的锂金属电池。

研究人员提出通过不同途径，优化电解液组成（锂盐、溶剂和添加剂）、在锂电极上原位或非原位构建人工固态电解质界面（SEI）、使用三维材料、使用单一锂离子导电膜作为集流体、以及对集流体进行改性，可以抑制锂枝晶。在这些方法中，具有高锂离子导电性和坚固化学结构的锂化Nafion（Li+-Nafion）引起了广泛关注，Li+-Nafion已被用作电解质膜材料和人工SEI材料。相关研究表明，Li+-Nafion电解质膜和人工Li+-NafionSEI层可以使锂离子在负极/电解质界面的通量均匀化，以维持均匀的锂镀层。在锂硫电池文献中，在集流体上沉积了厚度为几微米的薄Nafion涂层，以防止多硫化物的穿梭效应，并且Nafion涂层的表面与硫正极的接触，受这种结构的启发，如果Nafion涂层面向锂负极并与锂负极紧密接触，它可以充当人造SEI膜，同时在锂负极上制备NafionSEI膜的问题也可以得到解决，但到目前为止还没有此类研究的报道。

一个巨大的挑战在于，在集流体上制备高度均匀的薄Nafion涂层非常困难，集流体上用作人工SEI膜的薄Nafion涂层需要比用作多硫化物交叉屏障的涂层均匀得多，否则，由于锂离子通量在锂/集流体界面上的不均匀分布，在没有涂层或涂层较少的区域下方优先镀锂，从而导致锂枝晶的生长。

在此，作者提出了一种简便的方法，即使用超声波喷涂在聚丙烯（PP）集流体上沉积高度均匀的Li+-Nafion薄膜。在Li+-Nafion水溶液中加入N，N-二甲基甲酰胺（DMF），以改善喷涂液滴与聚丙烯集流体基体的润湿性，这对于使用超声波喷涂工艺在聚丙烯集流体上制备厚度均匀的Nafion薄膜至关重要。Li+-Nafion薄涂层将聚丙烯集流体的Li+转移数显著地从0.34增加到0.76，离子电导率从7.24降低到2.77×10−4Scm-1，Li+-Nafion薄涂层的高度均匀性，以及Li+-Nafion（HU）/PP的改进的Li+转移数，均匀的Li+-Nafion薄涂层与锂负极紧密接触时抑制锂枝晶生长。相比之下，由普通Nafion溶液制备的聚丙烯集流体上的Li+-Nafion涂层具有不均匀的形态，从而产生更多的锂枝晶，无法改善锂硫电池的循环性能。因此，Li+-Nafion涂层提高了锂硫电池的循环性能。这项工作不仅为Nafion基人工SEI膜的制备提供了一种有效的方法，而且为在锂负极上通过适当的涂层引入高质量人工SEI膜提供了一种新方法。（文：李澍）