Lithium-ion batteries: How do they work?
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鋰金屬電池（LMB）使用金屬鋰（Li）作為負極，具有最高的理論比容量（3860mAh/g）和最低的氧化還原電位（-3.04V vs. 標準氫電極），作為電動汽車和儲能系統中常規鋰離子電池（LIB）最有前景的替代品，已受到相當大的關注。
然而，LMB在實際應用中受到一些限制，如在重複充/放電過程中Li枝晶，以不可控的方式形成和生長，導致循環壽命短和嚴重的安全問題，包括電池的內部短路和熱失控。
控制鋰枝晶通常有幾種策略，包括透過電解液添加劑，原位形成穩定的固體電解質介面層（SEI膜）或自修復靜電屏蔽，Li負極的原位保護塗層，以及高模量和高鋰離子遷移數（tLi+）固體電解質的應用。
一般來說，理解抑制鋰枝晶有兩個主要理論框架。一種是電解質的高離子電導率，和較高的tLi+，可以透過減輕Li電極附近的陰離子，耗盡誘發的大電場，來抑制鋰枝晶的成核；另一種是使用高剪切模量的電解質（約為Li金屬的兩倍）機械抑制Li枝晶的生長。
基於這些理論框架，使用具有高模量和高tLi+的固體電解質，被認為是最有希望的方法之一。
然而固體聚合物電解質，在室溫下的離子電導率不足，以及固體陶瓷電解質的制備較為困難，是其固有的缺點。儘管凝膠聚合物電解質（GPE）制備較為容易，而且具有高的離子電導率和優異的電化學性能，可以解決這些問題。
然而大多數情況下需要引入SiO2、Al2O3和TiO2等無機填料機械地阻擋Li枝晶的生長，同時也犧牲了離子電導率。目前還沒有報導透過少量添加。<1wt i="" span="" tli="">
針對凝膠電解質存在的問題，韓國首爾大學的Jong-Chan Lee和韓國化學技術研究所的Dong-Gyun Kim，首次報導了使用全氟聚醚（PFPE）官能化的2D 氮化硼（BN）奈米片（BNNF）作為多功能添加劑制備，抑制Li枝晶的GPE的簡單有效策略。
即使將PFPE官能化的BNNF加入到GPE中的最小添加量（0.5wt%）也可以提供高離子電導率，高tLi+和高機械模量，這都有助於有效抑制Li枝晶，改善LMB的電化學性能和安全性能。
圖1.具有FBN添加劑的PVH基GPE的制備（G-CFBN）。(a) G-CFBN的制備過程示意圖，(b) CFBN的照片（0.5wt% FBN），(c)CNFB的（0.5 wt% FBN）表面（左）和橫截面SEM圖（右），和(d) 通過FBN誘導相分離CFBN自發形成孔隙的可能機理。
使用鋰金屬負極和LiFePO4（LFB）評價G-CFBN在LMBs中的實際應用。與Li/LE-Celgard（商業隔膜）/LFP電池，Li/G-CFBN/LFB電池表現出優異的倍率性能，尤其在5C的高倍率下，這主要歸結於G-CFBN的高離子導電率和tLi+。
對於在1C下的長期循環性能，Li/G-CFBN/LFB電池循環300圈後的容量保持率（88%）明顯高於Li/LE-Celgard/LFP電池（74%）。在循環後拆卸電池發現，具有G-CFBN的電池的Li金屬表面，顯示出多孔但光滑的形態，而具有LE-Celgard的電池的Li金屬表面顯，示出大的裂紋和粗糙的針孔，表明G-CFBN中鋰枝晶的生長，得到很大的抑制。
值得注意的是，Li/G-CFBN/LFB電池在10C的高倍率下仍顯示出優異的循環性能，與文獻中其它報道相比，這可以被認為是前所未有的高倍率長期循環性能。
圖2.鋰/電解液/磷酸鐵鋰電池在25℃下循環的電化學性能，電解液為G-CFBN和LE-Celgard。(a)電池在不同倍率下的倍率性能和相應的電壓容量曲線含有(b)G-CFBN和(c)LE-Celgard，(d)在1 C下電池的長期循環性能和(e)在10C下含G-CFBN的電池長期循環性能。
G-CFBN的制備：
通過超聲處理輔助剝離和使用PFPE官能化的芘分子非共價官能化納米尺寸的BN粉末制備PFPE官能化的BNNF（FBN），增加其表面積和與P(VdF-co-HFB)(PVH)GPE基底的相容性。
即使剝離和PFPE功能化後（≈4.7wt%），FBN仍可以保持2D形態，其厚度大約為3-4nm。透過在玻璃板上的丙酮中簡單流延澆鑄PVH和FBN的混合物制備複合膜（CFBN），其中控制FBN的含量為PVH的0.1,0.2,0.5和1.0wt%。
在大氣環境中乾燥，然後在60℃真空下乾燥，得到厚度為6-9μm的多孔CFBN，進一步浸入電解液（1M LiTFSI，EC：DEC（1：1 vol%）中制備GPE（G-CFBN）。
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