【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】先進(jìn)鋰金屬電池對(duì)促進(jìn)純電動(dòng)汽車、航空航天等領(lǐng)域快速發(fā)展具有重要意義，但界面穩(wěn)定性差等技術(shù)瓶頸嚴(yán)重制約其商業(yè)化。調(diào)控隔膜表界面性能是解決這一瓶頸的有效途徑，可在不增加體積和質(zhì)量的前提下顯著提升電池電化學(xué)性能，是構(gòu)建高比能鋰金屬電池的重要策略，也是高性能隔膜的主要發(fā)展方向。
 

　　中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所資源化學(xué)與能源材料研究中心硅基功能材料組長(zhǎng)期從事超親電解液鋰電池隔膜/固態(tài)電解質(zhì)應(yīng)用基礎(chǔ)研究。該團(tuán)隊(duì)以黏土礦物和有機(jī)硅化學(xué)為基礎(chǔ)，并與特殊潤(rùn)濕性表面和電催化等多領(lǐng)域交叉，開(kāi)發(fā)了一系列高性能鋰電池隔膜，研究了隔膜與電解液之間的固-液界面相互作用(iScience 2019,16,420；J Mater Chem A 2020,8,3692…)，揭示了離子的可控輸運(yùn)規(guī)律(Energy Storage Mater 2021,37,135；ACS Appl Mater Interfaces 2022,14,49224；Small 2023,19,2301237(內(nèi)封面)…)，闡明了正、負(fù)極與隔膜間固-固界面穩(wěn)定性關(guān)系(Adv Energy Mater 2018,8,1801778(封面)；Chem Eng J 2023,451,138914；J Mater Chem A 2024,12,1026…)，系統(tǒng)總結(jié)了鋰電池隔膜的研究進(jìn)展、現(xiàn)存問(wèn)題及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)(J Mater Chem A 2022,10,14137(封面))。
 

　　近日，該團(tuán)隊(duì)在鋰電池隔膜/固態(tài)電解質(zhì)研究領(lǐng)域再獲新進(jìn)展。
 

　　針對(duì)鋰-硫電池中因聚硫化物中間產(chǎn)物穿梭導(dǎo)致的硫正極與隔膜界面不穩(wěn)定問(wèn)題，通過(guò)綠茶中天然多酚類化合物在聚丙烯隔膜上的自發(fā)沉積，制備了一種超親電解液茶多酚增強(qiáng)離子選擇性隔膜(圖1)。得益于茶多酚化合物的高電子親和力和對(duì)鋰的強(qiáng)親和性，該隔膜不僅實(shí)現(xiàn)了鋰離子快速傳輸，還有效抑制了聚硫化物穿梭(Li2S4、Li2S6和Li2S8的穿梭率分別低至0.67%、0.19%和0.10%)。該隔膜在高硫負(fù)載、低電解液/硫比值及有限鋰過(guò)量的條件下，有效提升了鋰-硫電池倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性。該成果以“Natural Polyphenol-Reinforced Ion-Selective Separators for High-Performance Lithium-Sulfur Batteries with High Sulfur Loading and Lean Electrolyte”為題，發(fā)表在Angew Chem Int Ed(2024,e202417031)上。該論文第一作者為楊燕飛副研究員，通訊作者為張俊平研究員，師彥平研究員對(duì)綠茶提取物質(zhì)譜分析提供了指導(dǎo)。
 

圖1. 鋰-硫電池中隔膜與電極間界面演變的示意圖
 

　　同時(shí)，隨著能量型鋰金屬電池快速發(fā)展，電解液易泄露和易燃性等安全隱患成為亟需解決的問(wèn)題。通過(guò)電解液和多孔膜集成，開(kāi)發(fā)復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)是提升鋰金屬電池安全性和能量密度的有效途徑之一。受神經(jīng)元結(jié)構(gòu)及其高效信號(hào)傳輸、處理與存儲(chǔ)方式啟發(fā)，通過(guò)甲基三氯硅烷在蒙脫石表面可控水解縮合，合成了類神經(jīng)元結(jié)構(gòu)的超疏水有機(jī)硅納米線@蒙脫石納米填料(圖2)，構(gòu)建了可適用于寬溫域鋰金屬電池的PEO基復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)。相比已報(bào)道的納米填料，該超疏水填料具有以下優(yōu)勢(shì)，能在復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)中不同方向上形成長(zhǎng)程連續(xù)的離子通道；更易與鋰鹽、聚合物發(fā)生Lewis酸-堿相互作用，促進(jìn)鋰鹽解離，增加自由鋰離子數(shù)；復(fù)雜的分支結(jié)構(gòu)可最大限度增強(qiáng)納米填料的補(bǔ)強(qiáng)效果。相關(guān)成果以“Neuron-Like Silicone Nanofilaments@Montmorillonite Nanofillers of PEO-Based Solid-State Electrolytes for Lithium Metal Batteries with Wide Operation Temperature”為題，發(fā)表在Angew Chem Int Ed(2024,64,e202400091)上，該論文第一作者為博士研究生王萬(wàn)凱，通訊作者為楊燕飛副研究員和張俊平研究員。
 

圖2. 類神經(jīng)元結(jié)構(gòu)納米填料的設(shè)計(jì)制備