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Stress-homogenized spatial architectures via entropy-driven self-assembly enabling high-performance and durable lithium extraction

材料科学 锂(药物) 结构稳定性 压力(语言学) 电化学 萃取(化学) 纳米技术 有限元法 电容 介孔材料 多孔性 离子 稳健性(进化) 内应力 纳米线 电容感应 储能 扩散 耐久性 格子(音乐) 想象 降级(电信) 多尺度建模 化学工程 计算机科学 锂离子电池 代表性基本卷 联轴节(管道) 生物系统
作者
Xiaoqian Liu,Zewei Hao,Tongcai Liu,Qipeng Zhao,Xuefei Zhou,Yong Zhang,Huaqiang Chu
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [National Academy of Sciences]
卷期号:123 (5): e2525797123-e2525797123
标识
DOI:10.1073/pnas.2525797123
摘要

The global transition to sustainable energy demands efficient lithium extraction from brines. While electrochemical lithium extraction using LiMn 2 O 4 (LMO) holds great promise, its practical application is hindered by mechanical degradation caused by anisotropic volume changes and stress accumulation during cycling. Herein, we present an entropy-driven amphiphilic self-assembly strategy that engineers stress-homogenized multilayer core–shell architectures, which innovatively mitigates stress accumulation by tuning the internal geometric structure to optimize stress–strain behavior, thereby synergistically enhancing ion distribution, transport kinetics, and electrochemical stability. This hierarchical interlayer architecture ensures uniform Li + distribution and redistributes internal stresses, mitigating localized stress concentrations and lattice expansion to preserve structural integrity throughout cycling. The optimized LMO establishes a dual benchmark for both capacity and cycling stability in hybrid capacitive deionization, achieving a remarkable lithium extraction capacity of 4.78 mmol g −1 with 96% retention over 100 cycles, outperforming both its unoptimized counterpart and other reported materials of the same type. Finite element simulations further elucidate a 48% reduction in maximum stress compared to disordered counterparts, underscoring the critical coupling between ion diffusion and stress evolution. This paradigm provides a pathway for developing advanced materials with intrinsically stable architectures for sustainable lithium extraction.
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