實際應(yīng)用下超高容量保持率高能6Ah三元軟包電池新突破

引言

高比能電化學(xué)存儲對于追求脫碳和無線社會至關(guān)重要。由于3860mAh/g的高理論容量和?3.04V的最低還原電位（相對于標(biāo)準(zhǔn)氫電極），金屬鋰是高比能量存儲系統(tǒng)的理想負極。對于鋰金屬電池（LMB），要實現(xiàn)超過400Wh/kg、高達500Wh/kg的比能量，苛刻的條件包括高正極負載（>4mAh/cm2）、薄鋰（<50μm）和貧電解質(zhì)（<2g/Ah）是必要的。值得注意的是，根據(jù)具有不同正極負載的各種電解液量計算，要實現(xiàn)500Wh/kg的目標(biāo)，貧電解液小于1g/Ah或高面容量正極需要超過5mAh/cm2。然而，電解質(zhì)量的嚴重減少會導(dǎo)致電池循環(huán)壽命的快速下降。因此，超過5mAh/cm2的高正極負載對于實現(xiàn)能量目標(biāo)變得尤為重要。但是，與高負載正極配對時，高面容量的鋰金屬負極在循環(huán)過程中受到不利的鋰金屬沉積（例如，枝晶形成）和體積變化的不利影響。鋰主體被認為是緩沖體積變化的有效策略，但由于較大的比表面積，固態(tài)電解質(zhì)界面（SEI）的形成會消耗更多的Li和電解質(zhì)，這不可避免地降低了庫侖效率并導(dǎo)致到容量衰減。

因此，穩(wěn)定的鋰-電解質(zhì)界面對解決上述問題起著至關(guān)重要的作用。通常，原生SEI的原位形成是不規(guī)則和不均勻的，導(dǎo)致鋰沉積不均勻和連續(xù)的SEI降解，導(dǎo)致庫侖效率（CE）低，特別是在高面容量下。因此，嘗試設(shè)計穩(wěn)定且功能性的保護層以獲得在高面容量下均勻的鋰剝離/沉積是有意義的。迄今為止，已經(jīng)提出了一些有效的解決方案來獲得替代保護層，例如通過電解質(zhì)工程原位形成無機層，以及非原位形成人工保護層。然而，原位形成的SEI層很難抑制循環(huán)時超過4mAh/cm2的高面容量下的大體積變化，導(dǎo)致SEI降解和電解液消耗。最近，已經(jīng)開發(fā)出各種保護層，例如無機材料、有機聚合物和無機-有機雜化層，以有效地加強鋰-電解質(zhì)界面并提高電化學(xué)性能。然而，在400Wh/kg以上的高比能量LMB的實際條件下，很少有人能滿足軟包電池的要求。因此，需要在現(xiàn)實條件下為穩(wěn)定的高面容量鋰金屬負極合理設(shè)計人工保護層，以生產(chǎn)高比能鋰電池。

成果簡介

近日，來自中國科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所的王要兵、上海空間電源研究所LiYong團隊提出了聚（2-羥乙基丙烯酸酯-co-苯磺酸鈉）（PHS）作為負極保護層。PHS包含柔軟的聚（丙烯酸2-羥乙酯）和聚（對苯乙烯磺酸鈉），可改善電極的柔韌性、與Cu集流體的連接以及Li離子的傳輸。冷凍透射電子顯微鏡測量表明，PHS誘導(dǎo)形成具有氟化剛性和結(jié)晶內(nèi)部結(jié)構(gòu)的固態(tài)電解質(zhì)界面。此外，理論計算表明，聚（對苯乙烯磺酸鈉）的-SO3-基團通過陽離子-偶極相互作用促進鋰離子向鏈間遷移，從而實現(xiàn)均勻的鋰離子擴散。涂層Li||PHS-Cu扣式電池在25°C、1mA/cm2、6mAh/cm2的平均庫侖效率為99.46%。此外，當(dāng)涂有PHS的鋰金屬負極與多層軟包電池配置中的高面容量LiNi0.83Co0.11Mn0.06O2正極配對時，電池的初始容量為6.86Ah（對應(yīng)于比能489Wh/kg）和在25°C和172kPa條件下2.5mA/cm2時150個循環(huán)后具備91.1%放電容量保持率。該研究以題目為“Productionof high-energy 6-Ah-level Li?|?|LiNi0.83Co0.11Mn0.06O2multi-layer pouch cells via negative electrode protective layercoating strategy”的論文發(fā)表在著名期刊《NatureCommunications》。

三、正文導(dǎo)讀

PHS是通過具有各種PHEA/PS比率的自由基聚合合成的。PHS中的軟PHEA可以提供靈活的結(jié)構(gòu)，以緩沖高面容量下的大體積變化以及由于氫鍵相互作用而與Cu的強相互作用。此外，PS中具有較大Li化學(xué)吸附能（432.25kJ/mol）的-SO3-提供了豐富的Li+吸附位點來錨定Li+，這可以有效地分散Li+并有利于沿PHS層的擴散（圖1a）。由于PHEA的柔性和PS的離子電導(dǎo)率，PHEA/PS比為1的PHS表現(xiàn)出更好的電化學(xué)性能。隨后，優(yōu)化后的PHS通過刮涂法（圖1a）粘合到Cu箔上，平均厚度為2.3μm（圖1b）。能量色散X射線光譜（EDS）中C、S和Na元素的均勻分布進一步證實了均勻性（圖1c）。進行X射線光電子能譜（XPS）和傅里葉變換紅外光譜（FTIR）以驗證PHS的存在。如圖1d所示，283.7、284.6、286.0和289.0eV處的結(jié)合能指的是sp2雜化碳、C-C、C-O和C=O。在O1s和S2p光譜中，-SO3-被檢測到。結(jié)合Na1s，可以確認PHS通過刮刀涂層成功地涂覆在Cu箔上。FTIR中~3000cm-1和~1182cm-1處的C-H和-SO3伸縮帶也證明了PHS層。在3D原子力顯微鏡（AFM）形態(tài)（圖1e）中，PHS-Cu展示了具有約40nm的小波動的平坦表面。電化學(xué)阻抗譜（EIS）測量顯示PHS在25°C時的高離子電導(dǎo)率為1.36×10-5S/cm（圖1f）。通過Li||PHS-Cu不對稱電池在PHS-Cu上沉積鋰后，LiF和NaF可以在沉積鋰過程中原位形成（圖1g）。-SO3Li的存在意味著-SO3-具有親鋰性，可以吸收Li+以在界面處轉(zhuǎn)移Li+。結(jié)合F1s與Li1s和Na1s，可以驗證界面處LiF和NaF的形成，表明通過引入PHS實現(xiàn)了氟化混合SEI層。

【圖1】PHS-Cu電極的物理化學(xué)特性。a，PHS涂層Cu電極的示意圖。b，PHS-Cu的橫截面SEM圖像。c，PHS-Cu的相應(yīng)EDS圖譜。d，PHS-Cu的C1s的XPS光譜。e，PHS-Cu的3DAFM形貌圖像。f，不銹鋼|PHS|不銹鋼對稱電池的復(fù)阻抗圖，用于測量PHS離子電導(dǎo)率，其中符號表示原始數(shù)據(jù)，線條表示擬合數(shù)據(jù)，卡方分布（ChiSq）為10?4。g，在1mA/cm2，25°C下沉積6mAh/cm2Li后Li||PHS-Cu扣式電池中PHS-Cu的F1s XPS光譜。

SEI的結(jié)構(gòu)和形態(tài)在高面容量下對穩(wěn)定鋰沉積以實現(xiàn)高比能量起著至關(guān)重要的作用。在這里，進行冷凍TEM以研究在Li|Cu集流體上形成的SEI層。|在1mA/cm2、25°C下沉積高面容量的6mAh/cm2鋰之后的PHS-Cu扣式電池。正如所觀察到的，在具有/不具有改性PHS保護層的情況下，在高面容量下形成的SEI層是完全不同的。從圖2a可以看出，由PHS誘導(dǎo)的SEI層是高度結(jié)晶的，具有包括LiF、NaF、Li2O和Li2CO3的混合層，實現(xiàn)了穩(wěn)定和高離子導(dǎo)電的內(nèi)層。圖2b中顯示的相應(yīng)局部傅里葉變換圖像清楚地識別了四個部分的晶體組分的晶格間距，其中LiF、NaF、Li2O、Li2CO3的晶格間距分別為0.2nm、0.24 nm、0.14nm、0.28nm。據(jù)報道，氟化雜化SEI具有高機械強度和離子電導(dǎo)率，有利于緩解循環(huán)過程中的大體積膨脹。值得注意的是，PHS-Cu呈現(xiàn)出光滑的鋰表面和約10nm的薄SEI層，表明即使在高面容量下也能穩(wěn)定均勻地沉積鋰。然而，裸露的Cu顯示出完全不同的SEI形貌，其中在6mAh/cm2的高容量下可以清楚地檢測到大量具有枝晶形貌的鋰沉積（圖2c）。增加TEM放大倍數(shù)，裸Cu呈現(xiàn)非晶SEI，厚度約為30nm（圖2d）。

【圖2】SEI結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)、化學(xué)和形態(tài)表征。a，在Li||PHS-Cu扣式電池在1mA/cm2、25°C下沉積6mAh/cm2Li后中的PHS-Cu上形成的SEI層的冷凍TEM圖像。ba）對應(yīng)的局部快速傅里葉變換圖像。c，在1mA/cm2、25°C下沉積6mAh/cm2后的在Li||Cu扣式電池中裸Cu上形成的SEI層的冷凍透射電鏡圖像。d，裸Cu的高分辨率TEM圖像。（d）的插圖是相應(yīng)的局部快速傅里葉變換圖像。

除了SEI的結(jié)構(gòu)和成分外，界面特性和動力學(xué)也會影響鋰沉積。還提供了交換電流密度（j0）和活性（Ea）來評估PHS保護層。圖3a揭示了Tafel斜率及其對應(yīng)的j0源自截距，從中PHS-Cu呈現(xiàn)0.78mA/cm2的j0，遠高于裸Cu（0.18mA/cm2），這表明通過修飾界面處的動力學(xué)更快。此外，增加的j0表明球形成核和在循環(huán)過程中向鋰的均勻沉積。通過ln（1/R）與1/T的線性擬合從溫度相關(guān)的EIS測量中獲得的Ea用于闡明Li+擴散特性。如圖3b所示，PHS-Cu的Ea計算為4.49kJ/mol，而裸Cu的Ea為6.05kJ/mol，這意味著PHS-Cu的勢壘更小，鋰離子通過界面的傳輸速度更快。還進行了EIS測量以研究電解質(zhì)/電極界面處的動力學(xué)參數(shù)。從圖3c可以看出PHS-Cu小的電荷轉(zhuǎn)移電阻（Rct）為3.9Ω，低于裸Cu（~23.3Ω），這表明PHS-Cu上的電荷轉(zhuǎn)移迅速。值得注意的是，在6mAh/cm2的高面容量和1mA/cm2的情況下，Rct在40個循環(huán)（~480小時）后從~3.9緩慢增加到~7.3Ω。相反，裸Cu僅在10個循環(huán)內(nèi)就表現(xiàn)出Rct從~23.3到~41Ω的快速增加，這顯著證明了PHS-Cu的優(yōu)異界面穩(wěn)定性。

【圖3】PHS-Cu的界面和動力學(xué)性質(zhì)研究。a，Li||PHS-Cu和Li||Cu扣式電池在25°C下進行測試中PHS-Cu/裸Cu的Tafel圖。插圖是計算的交換電流密度（jo）。b，PHS-Cu/裸Cu的Arrhenius圖和計算的Li+擴散活化能。計算的溫度以開爾文為單位。c，Li||PHS-Cu在25°C下以不同循環(huán)測試的Nyquist圖，其中符號表示原始數(shù)據(jù)，線條表示擬合數(shù)據(jù)。（c）的插圖是相應(yīng)的等效電路。（d）鏈間和（e）鏈內(nèi)的Li+遷移行為模型。綠色、黃色、紅色、棕色和粉紅色的球體分別表示Li、S、O、C和H。f）Li+遷移能的理論計算。g，PHS-Cu的鋰沉積行為示意圖。

為了通過PHS進一步探索鋰離子遷移行為，提供了DFT計算。圖3d、e展示了PHS的原子模型，具有鏈間和鏈內(nèi)遷移的兩種不同路徑。在初始狀態(tài)下，Li+傾向于錨定在-SO3-上，然后通過陽離子-偶極相互作用沿著聚合物鏈跳躍。根據(jù)計算，鋰離子在任何中間態(tài)的鏈間遷移能（Em）均低于31.81kcal/mol，遠低于鏈內(nèi)遷移的Em（47.55kcal/mol），表明鋰離子更傾向于鏈間遷移（圖3f）。計算結(jié)果證實，-SO3-可以吸附/分散Li+，并通過均勻的PHS層加速從表面到集流體的鏈間遷移，從而導(dǎo)致鋰的成核和生長平滑而平坦。上述結(jié)果證實，具有親鋰性-SO3-和Na+的多功能PHS層可以促進穩(wěn)定的SEI層的形成，促進快速均勻的離子轉(zhuǎn)移。提供示意圖以更好地說明Li沉積行為（圖3g）。

為了突出PHS保護層的優(yōu)勢，使用一系列PHS-Cu/裸Cu作為正極，鋰箔作為負極，組裝Li||PHS-Cu電池以評估電化學(xué)性能。庫侖效率（CE）是評估鋰金屬電極循環(huán)性能的有效參數(shù)，它被定義為剝離和沉積容量之比。在這里，使用CE來驗證PHS-Cu的有效性。圖4a-c顯示了在1mA/cm2的相同電流密度下，在2、6和8mAh/cm2的不同面容量下，CE與循環(huán)數(shù)的關(guān)系圖。如圖4a所示，PHS-Cu在2mAh/cm2的面容量下表現(xiàn)出99.45%的高平均CE，并且在600個循環(huán)中幾乎沒有CE衰減。相反，裸Cu僅在50個循環(huán)后就顯示出CE的嚴重波動。當(dāng)面容量達到6mAh/cm2時，PHS-Cu在150個循環(huán)中提供99.46%的高平均CE，衰減可忽略不計（圖4b）。即使當(dāng)面容量增加到8mAh/cm2時，PHS-Cu在100個循環(huán)后仍保持穩(wěn)定，平均CE為99.43%（圖4c）。值得注意的是，Li||PHS-Cu非對稱電池在11.67μL/mAh和8.75μL/mAh的貧電解質(zhì)下運行，容量分別為6和8mAh/cm2。與之形成鮮明對比的是，裸Cu的CE在前20個循環(huán)中波動，隨后急劇下降和電池失效。為了突出Cu箔上PHS涂層的改進，還進行了更高電流密度下的循環(huán)測試。在圖4d中觀察到，PHS-Cu表現(xiàn)出非凡的穩(wěn)定性，在2mA/cm2和2mAh/cm2的高電流密度下，700個循環(huán)的平均CE為99.31%。然而，對于裸Cu，CE在100個循環(huán)內(nèi)迅速下降。

【圖4】Li的電化學(xué)表征||PHS-Cu不對稱電池。在1mA/cm2下具有不同容量的（a）2、（b）6、（c）8mAh/cm2的Li||PHS-Cu和Li||Cu不對稱電池的循環(huán)性能，在25°C下測試了相同數(shù)量的70uL電解質(zhì)。值得注意的是，電池分別處于11.67 μL/mAh和8.75μL/mAh的貧電解質(zhì)下，容量分別為6和8mAh/cm2。d，在2mA/cm2和2mAh/cm2在25°C下的循環(huán)性能。e，25°C下1mA/cm2下電流為6mAh/cm2的Li||PHS-Cu不對稱電池的電壓曲線。f，與最近研究的Li||Cu不對稱電池性能比較。

圖4e顯示了在不同循環(huán)下6mAh/cm2容量下的相應(yīng)電壓曲線，其中Li||PHS-Cu顯示出平滑平坦的電壓平臺，初始過電位較低，約為60mV，隨后在100個循環(huán)開始時略微下降至50mV，表明穩(wěn)定的SEI不斷形成。盡管如此，Li||Cu呈現(xiàn)出波動的極化曲線，在第一個循環(huán)中具有較大的~79mV的過電位，并在30個循環(huán)內(nèi)快速增加~98mV的過電位。當(dāng)電流密度達到2mA/cm2時，Li||PHS-Cu表現(xiàn)出~81mV的過電勢，而Li||Cu顯示出高得多的~146mV的過電勢，這意味著用PHS改性后的快速離子擴散。大多數(shù)報道的通過各種策略改性的鋰金屬負極相比，Li||PHS-Cu具備高CE和穩(wěn)定性很好（圖4f）。此外，還提供了Li||Li對稱電池重復(fù)的鋰沉積和剝離行為。據(jù)觀察，PHS-Li||PHS-Li對稱電池在2mAh/cm2和1mA/cm2下表現(xiàn)出1000小時（250個循環(huán)）的穩(wěn)定性。

為了進一步研究PHS-Cu的鋰沉積行為，提供了在6mAh/cm2和1mA/cm2下不同循環(huán)后的SEM圖像。如圖5a、b所示，PHS-Cu在第一次循環(huán)后的沉積過程中顯示出光滑致密的表面，厚度為~41.3μm，略厚于理論值（~30μm）。即使在20次循環(huán)（~240小時）后，仍可獲得厚度為~48.7μm的均勻平坦的鋰形態(tài)，表明歸因于PHS層的均勻離子轉(zhuǎn)移和穩(wěn)定的SEI（圖5c，d），這也得到證實通過20個循環(huán)后的EDS映射。與PHS-Cu不同，裸Cu在沉積6mAh/cm2后表現(xiàn)出不規(guī)則形態(tài)（圖5e）。從截面圖中可以觀察到多孔結(jié)構(gòu)，厚度較大，約為73μm（圖5f）。在Li沉積/剝離20個循環(huán)后，可以明顯觀察到針狀鋰沉積物（也包括電子斷開的鋰，稱為“死鋰”），帶有許多裂紋（圖5g，h），進一步表明Li負極用PHS改性可以促進球形成核和致密的Li沉積，而不會生長枝晶。Li剝離后相應(yīng)的SEM圖像也驗證了PHS-Cu穩(wěn)定性的提高。為了更深入地了解Li沉積行為，在1mA/cm2下進行Li||PHS-Cu和鋰||Cu不對稱電池原位光學(xué)顯微鏡表征（圖5i，j）。正如預(yù)期的那樣，PHS-Cu表現(xiàn)出均勻致密的形態(tài)，厚度略有增加，而樹枝狀鋰在裸露的Cu上快速生長，厚度延伸到100μm以上。

【圖5】Li金屬沉積在各種Cu基底上的物理化學(xué)表征。在25°C、1mA/cm2的電流密度和6mAh/cm2的面容量下，在（a–d）Li||PHS-Cu中的PHS-Cu和（e–h）在Li||Cu中的裸Cu的SEM圖像和橫截面SEM圖像，在（a，b），（e，f）第1次和（c，d），（g，h）第20次循環(huán)后的沉積層工藝。在鋰沉積過程中（在1mA/cm2，25°C下），電解質(zhì)和電極之間界面的原位光學(xué)顯微鏡研究（i）Li||PHS-Cu中的PHS-Cu以及（j）在Li||Cu中的裸銅，比例為50μm。第1次循環(huán)和第20次循環(huán)后的（k）Li||PHS-Cu中的PHS-Cu和（l）Li||Cu中的裸C的C1s的XPS光譜，電流為6mA/cm2，1mA/cm2，25°C。

除了SEM圖像外，還進行了非原位XPS電極測量，以證明PHS涂層的穩(wěn)定性。圖5k，l分別顯示了PHS-Cu和裸Cu在第1次和第20次循環(huán)后的C1s光譜。由于表面有PHS層涂層，C1s光譜與裸Cu有很大不同。正如所觀察到的，包括sp2-C、C-C、C-O和C=O鍵在內(nèi)的光譜在PHS-Cu的第1次和第20次循環(huán)后幾乎相同。然而，在20次循環(huán)后，裸Cu在~290eV處出現(xiàn)了一個新峰，以CO32-為索引（圖5l），表明由于SEI層的分解，電解質(zhì)在循環(huán)時分解。值得注意的是，根據(jù)SEM圖像，C-O鍵的強度在20個循環(huán)后急劇增加，進一步暗示了枝晶生長導(dǎo)致的不穩(wěn)定SEI。從F1s光譜，可以檢測到LiF和NaF峰位于PHS-Cu的表面，在第1次和第20次循環(huán)后變化可忽略不計，這進一步驗證了循環(huán)過程中的SEI。S-F鍵源自在非水電解質(zhì)溶液中用作鹽的雙（氟磺?；﹣啺蜂嚕↙iFSI）鹽。相反，LiF的相對強度在20個循環(huán)后明顯降低，表明裸Cu的SEI不穩(wěn)定。

受益于PHS-Cu的電化學(xué)行為，應(yīng)用嚴酷的實際條件來組裝軟包電池，以評估高比能LMB的PHS涂層潛力（圖6a）。軟包電池由高面容量的LiNi0.83Co0.11Mn0.06O2（NCM83）正極（6mAh/cm）和PHS涂層鋰金屬負極（50μm）與貧電解質(zhì)（~1.25g/Ah）耦合制成。為了承受NCM83的高電壓，使用基于碳酸鹽的電解質(zhì)（2：1DEC/FEC中加入0.6M LiBF4和0.6M LiBOB）代替醚基電解質(zhì)。在這里，組裝好的軟包電池具有6.86Ah的高容量（根據(jù)電池形成過程中的放電容量計算）提供489.7Wh/kg的高比能量，根據(jù)包括正極、負極在內(nèi)的所有部件的總質(zhì)量計算、集流體、電解質(zhì)、隔膜和包裝（圖6b）。圖6c顯示了PHS-Li||NCM83軟包電池的電壓曲線，即使在100次循環(huán)后，軟包電池仍顯示出穩(wěn)定的電壓平臺和低電壓極化。長循環(huán)穩(wěn)定性如圖6d所示，其中電池在2.5mA/cm2下循環(huán)150個循環(huán)，容量保持率為91.1%。相比之下，Li||NCM83軟包電池在最初的40個循環(huán)中表現(xiàn)出穩(wěn)定性，隨后急劇衰減。值得注意的是，在長時間循環(huán)過程中，庫侖效率保持在99.8%以上，在最后幾個循環(huán)中略有下降。

【圖6】Li的電化學(xué)儲能表征||NCM83軟包電池。a，具有薄鋰負極、貧電解質(zhì)和高負載正極的軟包電池在實際條件下的示意圖，其中藍色、白色和橙色層分別指正極、隔膜和負極。b，軟包電池中所有電池組件的質(zhì)量分布餅圖。這項工作中的比能量是根據(jù)軟包電池的總質(zhì)量計算的，包括包裝和接線片。c，PHS-Li||NCM83軟包電池不同循環(huán)的電壓曲線。d，PHS-Li||NCM83和Li||NCM83軟包電池在25°C下以0.5mA/cm2充電和2.5mA/cm2放電的循環(huán)性能。插圖是軟包電池的光學(xué)照片。e，PHS-Li||NCM83軟包電池在0.5mA/cm2的恒定充電電流和25°C下1至10mA/cm2的各種放電電流下的倍率性能。f，在0.5mA/cm2充電和5mA/cm2放電時的循環(huán)性能，溫度為25°C。

為了研究降解機制，研究了PHS-Li||NCM83和Li||NCM83軟包電池在循環(huán)后直到提供低于98%的庫侖效率（在150個循環(huán)后PHS-Li||NCM83和在42個循環(huán)后Li||NCM83）的光學(xué)照片。正如所觀察到的，NCM83正極幾乎沒有變化，并且可以在長時間循環(huán)中保持穩(wěn)定性，這表明主要的退化應(yīng)該來自負極側(cè)，正如文獻中已經(jīng)描述的那樣。上述結(jié)果表明，PHS層可以穩(wěn)定鋰/電解質(zhì)界面，延緩鋰和電解質(zhì)的消耗，這進一步表明均勻的鋰擴散和沉積對于延長高面容量下的循環(huán)壽命至關(guān)重要。此外，還研究了電解質(zhì)用量對循環(huán)壽命的影響，以證實均勻鋰沉積的重要性。不同電解液量的Li||NCM83軟包電池采用不同的電解液量組裝而成。隨著電解質(zhì)從1.05g/Ah分別增加到1.26、1.53、1.89和2.2g/Ah，軟包電池的壽命從37延長到64、86、99和108個循環(huán)。值得注意的是，當(dāng)電解液保留量超過1.5g/Ah時，隨著電解液量的增加，循環(huán)壽命不能顯著延長，當(dāng)電解質(zhì)超過一定量時，這表明電解液量可能不是影響高面容量和低N/P下循環(huán)壽命的決定性因素比例。

為了突出PHS涂層對實際應(yīng)用的適用性，還評估了倍率性能。圖6e顯示了PHS-Li||NCM83軟包電池的倍率能力測試，其中PHS-Li||NCM83在0.5mA/cm的充電電流下表現(xiàn)出1至10mA/cm2的良好倍率能力，在10mA/cm2時提供2.1Ah的高容量以及高CE。此外，該電池在5mA/cm2下循環(huán)100次后幾乎沒有容量衰減（~100%容量保持）（圖6f），進一步證實了PHS涂層策略在實際電池應(yīng)用中的潛力。此外，還進行了1mA/cm2較高充電電流下的倍率性能以驗證其實用性。

總結(jié)與展望

總之，通過均勻引入PHS聚合物保護層來生產(chǎn)490Wh/kg級LMB，報告了一種穩(wěn)定的高面容量鋰金屬負極。得益于PHEA的軟鏈段與Cu基底的強相互作用，PHS保護層不僅可以均勻平滑地涂覆在Cu箔上，還可以緩沖高面容量下循環(huán)過程中巨大的體積變化。PHS中的PS可以富集Li+吸附位點，分散Li+，并通過陽離子偶極相互作用穿過界面并進入集流體，加速Li+沿-SO3-向鏈間遷移，從而賦予快速的Li+轉(zhuǎn)移速率和均勻的鋰成核和生長。因此，即使在8mAh/cm2的高面容量和8.75μL/mAh的貧電解質(zhì)下，組裝Li||PHS-Cu非對稱電池在100個循環(huán)中表現(xiàn)出99.43%的平均CE。當(dāng)PHS涂層鋰金屬負極與高面容量（6mAh/cm2）NCM83基正極配對時，在多層軟包電池配置中，電池提供6.86Ah的初始容量（對應(yīng)于初始比能量為489.7Wh/kg），在2.5mA/cm2、25°C和172kPa下循環(huán)150次后，放電容量保持率為91.1%。

審核編輯：劉清