DOI: 10.1002/smll.202205355

锂（Li）枝晶的生长缩短了锂金属电池的寿命，并且带来了一系列的安全问题。在此，本文提出了一种分层多孔芳族聚酰胺纳米纤维隔膜，能够有效抑制Li枝晶生长，同时在高充放电速率下保持高度稳定的循环性能。采用两步溶剂交换工艺结合再质子化介导的自组装来控制隔膜的双峰多孔结构。特别是，当依次使用乙醇和水时，芳族聚酰胺纳米纤维在大孔聚合物框架中形成含有纳米孔的分层多孔结构，以产生具有97%或更高孔隙率的机械坚固的膜。由于超高孔隙率和对阴离子的选择性亲和力，优化后的样品表现出1.87-4.04mS/cm的高离子电导率，以及0.77-0.84的高Li离子转移数。锂金属对称电池在100次循环后没有任何明显的枝晶存在，即使在高电流密度（20mA/cm2）的极端条件下，它们也能稳定运行1500次以上。此外，LiFePO4/Li全电池在30C下循环1000次后仍能保持86.3%的容量。

图1.通过两步溶剂交换工艺形成PANF膜。a）通过两步溶剂交换工艺制备PANF膜的示意图。薄膜的孔隙和厚度没有按比例绘制。b）EPANF样品的横截面FE-SEM图像。放大倍率从左到右逐渐增大。

图2.a）DPANF、b）EPANF和c）IPANF的平面和截面FE-SEM图像。插图为每个样本以更高放大倍率呈现的图像。在去离子水（左）、乙醇（中）和IPA（右）浴中浸泡d）1、e）5和f）30分钟后，浇铸芳族聚酰胺溶胶膜的照片。用去离子水处理的样品在1分钟前立即变为不透明白色。红色虚线圆圈表示去离子水样品的位置。g）溶剂交换过程每个步骤的PANF样品的OM图像。h）添加0.2ml去离子水、乙醇和IPA溶剂后，芳族聚酰胺溶液（浓度0.005wt%）的紫外-可见光谱。i）EPANF、DPANF、IPANF和商用PP膜的BET氮气吸附-解吸等温线及j）孔分布数据。

图3.从硬币电池中拆卸的a）EPANF、b）EPANF100和c）EPANF150的截面FE-SEM图像。d）商用PP（左）和EPANF（右）在电解液（EC:DEC:DMC=1:1:1）中浸泡120分钟后的照片，e）浸泡高度与浸泡时间的关系。f）干态和湿态EPANF样品的单轴拉伸试验结果。g）EPANF和商用PP的TGA曲线。h）商用PP和EPANF在23、125和175℃下的热处理（比例尺=1cm）。i）配备EPANF样品和商用PP隔膜的SS/SS电池在33℃下的电化学阻抗谱（EIS）数据。（i）原点附近的图及其j）放大。k）隔膜电导率与温度的阿伦尼乌斯图。每条线表示使用等式（3）的拟合结果。

图4.恒电流Li/Li对称电池的性能。对称电池在a）10mA/cm2（1mAh/cm2）和b）20mA/cm2（1mAh/cm2）下循环1500次的循环次数与电压曲线。c）（a）的放大曲线，显示了0-5、377-382和1495-1500次循环。（d）对称电池在10mA/cm2下进行初始5个循环的循环次数与电压曲线。e）含EPANF样品的对称Li/Li电池在5、10和20mA/cm2下进行的初始20个循环，固定容量为1mAh/cm2。

图5.循环后的Li枝晶生长。在10mA/cm2（1mAh/cm2）下循环100次后，a）EPANF、b）EPANF100、c）EPANF150和d）商用PP电池中Li-金属电极的照片及FE-SEM图像。照片中的比例尺为0.8cm。含e）EPANF和f）商用PP样品的Li-金属电极在10mAcm2下电镀/剥离1h后的横截面FE-SEM图像，插图为其对应的照片。含g）EPANF和h）商用PP的Li-金属电极表面的FE-SEM图像、EDX结果和元素映射图像。

图6.a）原始状态下带有EPANF、EPANF100、EPANF150和商用PP隔膜的Li/Li电池的EIS光谱数据。等效电路如插图所示。b）EPANF、EPANF100和EPANF150样品以及商用PP在原始状态下的电化学性质，根据（a）测量得出。EPANF和商用PP表面在电解液中浸泡30分钟前后的XPS图：c）Li1s，d）P2p，e）F1s，f）O1s，g）C1s和h）N1s。

图7.LFP/Li全电池的循环性能。a）含EPANF（红色）、EPANF100（蓝色）、EPANF150（绿色）和商用PP（黑色）的LFP/Li电池在1至30C范围内的循环试验。b）在1C下进行第一次循环的充电/放电曲线。在c）10和d）20C下运行的LFP/Li电池的循环性能和库仑效率。