南京大学Adv. Sci.：“导热屏障”AlN网络复合隔膜助力锂金属负极的长循环与高倍率性能

实现无枝晶沉积和快速锂离子输运的导热AlN网络复合隔膜助力锂金属负极的长循环与高倍率性能

第一作者：郭月

通讯作者：吴强*，胡征*

单位：南京大学，南京邮电大学

锂金属具有超高的理论比容量和最低的电极电势，是下一代高能量密度电池的理想负极材料。然而，循环过程中锂离子的不均匀沉积会导致锂枝晶生长，严重影响锂金属负极的循环和倍率性能，甚至带来安全隐患。尤其是在高倍率下，电池运行产生的大量焦耳热会在界面上形成许多局部热点，从而使锂离子沉积更加不均匀，加剧枝晶形成。

基于此，南京大学的吴强教授与胡征教授团队在Advanced Science上发表题为“Thermally Conductive AlN-Network Shield for Separators to Achieve Dendrite-Free Plating and Fast Li-Ion Transport toward Durable and High-Rate Lithium-Metal Anodes”的文章。

该工作通过简便的真空抽滤方法在商业化PP隔膜上构建了一层导热的AlN纳米线网络（AlN NW-PP）。该网络促进形成均匀的温度场，有利于Li的均匀沉积；提供了超亲电解液的通道，便于Li离子输运；并且可以作为最后一道物理屏障，抵御锂枝晶刺穿。

采用AlN NW-PP隔膜的对称电池在电流密度为20 mA cm^-2、面容量为3 mAh cm^-2条件下具有8000小时的超长寿命，在超高倍率和面容量 (80 mA cm^-2, 80 mAh cm^-2) 下也可循环超过1000小时，远优于文献报道水平。相应的Li|LiFePO₄电池在10 C时仍具有84.3 mAh g^-1的比容量。该研究为开发长循环与高倍率性能的锂金属电池提供了一种高效简便的方法。

要点一：AlN NW-PP隔膜的特性表征

利用AlN的高导热性（319 W m⁻¹ K⁻¹）促进电池内温度的均匀分布以实现锂的均匀沉积；构筑超亲电解液的通道（接触角~0^°）以增强Li⁺的传输；利用AlN的高硬度（23.7 GPa）作为最后一道安全屏障来抵御枝晶刺穿。

与采用PP隔膜的对称电池相比，基于AlN NW-PP的电池在相同测试条件下均展现出更低的过电位和更长的循环寿命。其中在电流密度为20 mA cm^-2，面容量为3 mAh cm^-2时具有超过8000小时的超长寿命，甚至在超高倍率和面容量 (80 mA cm^-2, 80 mAh cm^-2) 下也可循环超过1000小时，显著优于文献报道水平。

观察循环后锂片的形貌，发现使用PP隔膜的锂片结构疏松，表面粗糙，有枝晶；使用AlN NW-PP隔膜的锂片结构致密，表面平坦。通过Comsol模拟电池内温度和锂离子浓度分布，结果表明：采用PP隔膜的电池，热点处温度梯度大，锂离子分布不均；采用AlN NW-PP隔膜的电池，峰值温度降低，温度更加均匀，Li离子分布也更加均匀。

组装Li|LiFePO₄电池，采用AlN NW-PP隔膜的电池具有最优的倍率性能和良好的循环稳定性。在10 C时仍具有84.3 mAh g^-1比容量，在1 C下循环400圈后，比容量保持在136 mAh g⁻¹。采用电化学交流阻抗测试（EIS）研究了Li|LiFePO₄电池在循环中的电荷传输动力学演变。

采用AlN NW-PP隔膜的电池，其界面电阻Rf值比采用PP的电池的Rf值更低，增加更缓慢，表明前者在循环过程中SEI的稳定性更好；同时其电荷转移电阻Rct值也低于采用PP的电池，表明具有更好的电荷转移动力学。

Thermally Conductive AlN-Network Shield for Separators to Achieve Dendrite-Free Plating and Fast Li-Ion Transport toward Durable and High-Rate Lithium-Metal Anodes

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202200411

国家杰出青年基金获得者(05)，教育部长江学者特聘教授(07)，教育部创新团队带头人(08)，江苏省材料学会理事长。南京大学物理系获学士、硕士、博士学位(81-91)，南京大学化学系博士后(91-93)。先后在德国卡斯卢厄研究中心、英国剑桥大学、美国麻省理工学院作博士后及华英学者。

长期在化学、物理、材料的交叉学科领域进行探索，在纳米/介观结构新材料的生长机理、材料设计、能源应用及调控机制研究方面作出了创新而系统的成果，其中关于碳纳米笼新材料的研究引领了纳米碳材料领域的一个新的分支。

在南京大学化学化工学院获得学士和博士学位。2004年留校任教，2011-2012 年美国斯坦福大学材料科学与工程系访问学者，江苏省真空学会常务理事，江苏省材料学会秘书处副秘书长。围绕纳米/介观结构材料的可控制备、能源应用及调控机制开展研究工作。

在Adv. Mater.、EES、Nat. Commun.、Acc. Chem. Res.等刊物上发表论文100余篇，主持自然科学基金、省创新人才基金、联合基金等项目，参加国家重点研发计划等项目。

郭月

南京大学化学化工学院2018级直博生。研究方向为先进锂负极的构筑与锂金属电池性能研究。

针对能量转化和存储过程中的关键电极材料和催化剂，本课题组长期致力于研究其生长机理、进行结构与成份调控并探索对性能的作用规律，从而深刻理解构效关系，获得低成本高性能的新型电极材料和催化剂。

包括四个研究方向：

1. 碳基纳米材料的结构设计及能源应用  

2. 单位点催化剂及亚纳米催化剂

3. 能源存储、转化及调控机制

4. 费-托合成催化剂

http://phychemenm.cn/index.php