锂金属由于其极高的比容量（3860 mAh/g）和极低的电化学电位（-3.04 V）等优点成为了极具吸引力的负极材料，但是循环中锂枝晶的生长从而戳破隔膜导致的电池短路问题严重阻碍了锂金属负极的实际应用。近日，
南京大学的研究人员受到古代战场矛和盾的启示，通过对传统隔膜进行纳米盾牌式设计，可以有效抵御循环中的锂枝晶，极大地延长了锂金属电池的寿命。
基于战场上盾抵御矛的启示，南京大学团队在锂金属电池隔膜上采用纳米盾牌设计来抵御枝晶生长。为了研究纳米盾牌的盾面弯曲程度的影响，南京大学团队通过机械应力计算分析发现，面对枝晶的穿刺，弯曲的盾牌面有降低所受应力的作用，且当纳米盾牌曲率和枝晶尖端曲率相当时，所受应力减小最为显著。基于此分析，研究人员在隔膜上旋涂修饰纳米颗粒，其曲率和锂枝晶尖端相当，从而有效降低应力，抑制锂枝晶对隔膜的戳破，避免锂金属电池内部发生短路。
使用这种纳米盾牌修饰的隔膜的Li//Li对称电池能够保持长时间稳定锂沉积超过110 h，其寿命是普通隔膜对称电池的五倍。研究人员进一步采用了原位观测实验，观测到了纳米盾牌的抵御枝晶戳破隔膜的作用。在对称电池恒电流充放电测试中，有纳米盾牌隔膜的电池也具有更稳定循环性能。
结合理论计算和实验结果，该文系统地研究了隔膜的形貌与枝晶间的应力关系，对隔膜的形貌设计提供了新的力学理解，也为延长锂金属负极的循环寿命提供了一条途径。
这一成果近期发表在Angewandte Chemie International Edition上。
A Nano‐shield Design for Separators to Resist Dendrite Formation in Lithium‐Metal Batteries
Jie Liang, Qiyuan Chen, Xiangbiao Liao, Pengcheng Yao, Bin Zhu, Guangxin Lv, Xinyu Wang, Xi Chen, Jia Zhu
Angew. Chem. Int. Ed., 2020, DOI: 10.1002/anie.201915440
研究团队介绍
朱嘉教授现任南京大学教授，国家杰出青年基金获得者，从事纳米材料在能源与环境的研究。已在Nature 子刊, Science 子刊, PNAS, Joule, Advanced Materials 等高影响力学术期刊发表了100余篇论文。出版英文书籍一章，申请国际专利5项。部分研究成果被Science、Nature杂志、MIT Technology Review杂志、New Scientist等国际科学媒体广泛报道，在国际产生广泛的影响，受邀在政府，国际会议及世界著名学府做过40多场专题报告，同时是30多个国际学术期刊的特约审稿人。
https://www.x-mol.com/university/faculty/22073
朱斌，2018年于南京大学取得材料科学博士学位，毕业后继续在朱嘉教授组进行研究员的工作，主要从事锂电池，光热调控和辐射制冷等相关方向的研究。已在 Science Advances, Angew. Chem. Int. Ed., Advanced Materials, Nano Letters 等杂志上发表学术论文30余篇，引用2000余次。担任Science Advances, Advanced Energy Materials 等杂志审稿人。
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