東華大學(xué)張晶晶博士在ChemSusChem期刊發(fā)文，從鋰金屬電池中隔膜材料和結(jié)構(gòu)協(xié)同設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，研究其在均勻鋰離子分布、抑制鋰枝晶生長(zhǎng)和提高電池性能方面的作用機(jī)制。這項(xiàng)工作為解決金屬鋰負(fù)極的枝晶問題提供了一種新思路。
當(dāng)今社會(huì)的高速發(fā)展對(duì)能源存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)化提出了更高的要求。金屬鋰因具有極高的理論比容量（3860 mAh/g）、極低的密度（0.59 g/cm3）和最負(fù)的電化學(xué)電位（-3.04V vs標(biāo)準(zhǔn)氫電極）而受到了廣泛關(guān)注。然而，鋰金屬電池在充放電過程中存在嚴(yán)重的鋰枝晶問題。這些枝晶在循環(huán)過程中不受控制地生長(zhǎng)，可能會(huì)刺穿電池隔膜，造成電池短路甚至爆炸。 隔膜在電池中起著至關(guān)重要的作用，它避免了陰極和陽(yáng)極的直接接觸，并為鋰離子的傳輸提供路徑。然而，商業(yè)聚烯烴隔膜的孔隙率低、孔徑分布不均，且與電解液浸潤(rùn)性不足。同時(shí)，聚烯烴隔膜本身的離子絕緣性也會(huì)使得鋰離子主要集中在充滿電解液的孔中，從而導(dǎo)致電解液-電極界面上鋰離子分布不均勻，最終造成不均勻的鋰沉積和鋰枝晶生長(zhǎng)。此外，聚烯烴隔膜通常存在熱收縮問題，這也是造成鋰金屬電池電化學(xué)性能和安全性較差的重要原因之一。 鑒于此，東華大學(xué)張晶晶博士在ChemSusChem期刊發(fā)表研究論文，通過構(gòu)筑中空多孔聚丙烯腈納米纖維（HPPANF）薄膜作為鋰金屬電池的新型隔膜來解決以上問題。其中，納米纖維的中空管道和表面至中空的三維貫穿通孔結(jié)構(gòu)可以吸附并存儲(chǔ)大量電解液，以實(shí)現(xiàn)高離子電導(dǎo)率；同時(shí)，HPPANF隔膜與金屬鋰負(fù)極界面處納米級(jí)的電解液浸潤(rùn)有利于金屬鋰均勻沉積/剝離；此外，富含極性基團(tuán)的HPPANF隔膜作為一種聚合物基固態(tài)電解質(zhì)可以提供大量的三維鋰離子傳輸通道。因此，得益于結(jié)構(gòu)-材料的協(xié)同設(shè)計(jì)，HPPANF隔膜可以均勻鋰離子的分布并實(shí)現(xiàn)無枝晶化鋰沉積，從而穩(wěn)定金屬鋰負(fù)極。與商業(yè)聚烯烴隔膜相比，使用HPPANF隔膜的鋰金屬電池電化學(xué)性能得到明顯提升。此外，HPPANF隔膜具有更好的熱穩(wěn)定性，從而提高了電池的整體安全性。 論文信息 Dual Structure-Material Design of Separators toward Dendrite-Free Lithium Metal Anodes Zhengkang Su, Prof. Biao Wang, Linyan Li, Guang Yang, Prof. Aishui Yu, Prof. Guang Li, Dr. Jingjing Zhang ChemSusChem DOI: 10.1002/cssc.202201352
