成功实现超过400 Wh kg-1的高比能电池对Li-O2、Li-S和基于富镍层氧化物正极（NCM）的电池系统寄予厚望，其中锂金属负极是必要的。然而，在传统的锂离子电池配置中使用锂金属负极时，锂枝晶的生长和负极-电解质界面的不可控形成会带来重大的安全问题，并导致性能迅速下降。具有均匀孔隙和功能化表面的离子隔膜对于解决锂金属电池中的锂枝晶问题显示出巨大的潜力。

鉴于此，四川大学赵焱教授、武汉理工大学麦立强教授、江汉大学李兆槐博士等设计并制备了单金属和氮共掺杂的碳-三明治MXene（M-NC@MXene）纳米片，它具有高度有序的纳米通道，直径为10nm。实验和计算验证了M-NC@MXene纳米片可通过以下几种方式消除锂枝晶：（1）通过高度有序的离子通道重新分配锂离子通量；（2）通过杂原子掺杂选择性地传导锂离子和锚定阴离子以延长锂枝晶的成核时间；（3）在常规聚丙烯（PP）隔膜上紧密交错以阻挡锂枝晶的生长路径。因此，采用Zn-NC@MXene涂层的PP隔膜，组装的Li||Li对称电池在3 mA cm-2的高电流密度和3 mAh cm-2的高面容量下表现出25 mV的超低过电位，以及1500小时的循环寿命。此外，值得注意的是，它还将能量密度为305 Wh kg-1的Li||Ni83软包电池的寿命提高了5倍。另外，Li||Li、Li||LiFePO4、Li||S电池的卓越性能揭示了精心设计的多功能离子分流器在进一步实际应用中的巨大潜力。

文章要点：

1. 这项工作提出了一种具有同质纳米通道的多功能锂离子流分流器，以实现无枝晶的锂负极。该锂离子分流器由中间厚度约为5纳米的二维MXene片和两边包裹的单金属和亚硝酸盐共掺杂的碳组成（标记为M-NC@MXene）。

3. 这种独特的结构在纳米尺度上拥有超均匀的垂直离子通道。此外，单金属的电解液电阻很低，与Li的亲和力很高，作为强阳性位点可以将阴离子固定在电解液中。根据众所周知的Sand方程，这会降低阴离子在负极表面附近的转移数，抑制电解液溶剂的分解，从而提高SEI稳定性，并推迟锂枝晶的初始生长时间。

3. 通过将Zn-NC@MXene涂层的聚丙烯（PP）隔膜与Li||NCM电池系统相匹配，所得软包电池实现了305 Wh kg-1的能量密度，显示了稳定的循环，延长了5倍的使用寿命。

4. 值得注意的是，在Li||S电池中，M-NC@MXene的单金属原子促进了锂离子的传输，选择性地阻断了电负性多硫化物的通过，并催化了多硫化物的转化。

原文链接：

https://doi.org/10.1002/adma.202302418

转自：“高分子科学前沿”微信公众号

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