Enhancing Li+ Kinetics Via Selective Repulsion‐Adsorption and Intermolecular Ion‐Conduction Layers for High‐Energy‐Density Anode‐Free Lithium‐Metal Batteries

阳极 材料科学 电解质 化学工程 吸附 锂(药物) 电导率 溶剂 聚苯乙烯 离子电导率 分子 电极 有机化学 物理化学 化学 复合材料 聚合物 医学 工程类 内分泌学
作者
Chen Zhao,Yang Gao,Yuzhi Chen,Xiangkai Yin,Hongyuan Liu,Weiping Li,Xiaofei Hu,Jiuhong Wang,Kai Xi,Shujiang Ding,Wei Yu
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:37 (41): e05520-e05520 被引量:9
标识
DOI:10.1002/adma.202505520
摘要

Anode-free lithium-metal batteries, offer high energy density, but suffer from limited lifespan due to sluggish Li+ desolvation at the anode. Conventional artificial layers on the anode attract Li+ by polar groups, yet inadvertently accumulate solvent molecules near these polar layers, impede desolvation, and form an organic-rich solid electrolyte interphase (SEI) with low ionic conductivity. Herein, a selective repulsion-adsorption strategy is proposed, achieved using a layer (MS layer, 35 nm) comprising polystyrene sulfonic acid (PSS) and montmorillonite (MMT). During electrospray fabrication, the PSS self-assemble, with non-polar benzene rings and C-H main chains facing outward, while the -SO3 - groups are buried underneath. The non-polar components can repel polar solvent molecules, and negatively charged MMT will absorb Li+, suppressing solvent accumulation and facilitating desolvation. Meanwhile, the anions attracted by MMT will form an inorganic-rich SEI with superior ionic conductivity. Furthermore, the PSS-MMT interface forms a rapid Li+ transport pathway with reduced migration barriers. Consequently, anode-free MS-Cu||LFP cells operate over 350 cycles, increasing ≈200% compared with Cu||LFP cells. Additionally, 2 Ah anode-free MS-Cu||LFP (340 Wh kg-1) and MS-Cu||NCM811 pouch cells (490 Wh kg-1) maintain 80% capacity after 100 and 50 cycles. This work presents an efficient strategy to enhance Li+ kinetics for high-performance batteries.
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