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硅基超親電解液鋰電池隔膜研究獲進展

中國科學院蘭州化學物理研究所 2023-10-12 09:37:01

能量型鋰金屬電池作為下一代電化學儲能技術，是電動汽車、航空航天等領域發展的基礎。然而，在構建高比能鋰金屬電池的條件（如欠鋰、低電解液用量等）下，鋰枝晶不可控生長和中間產物穿梭等問題制約了產業化進程。與其他策略相比，隔膜的表界面調控可耦合正、負極界面問題的解決方案，且具有不易增加電池體積和質量等優點，已成為建立高比能鋰金屬電池的有效方法，是高性能鋰電池隔膜的發展方向之一。中國科學院蘭州化學物理研究所環境材料與生態化學研發中心（甘肅省黏土礦物應用研究重點實驗室）硅基功能材料組在硅基超親電解液鋰電池隔膜研究中取得新進展。

該團隊以黏土礦物、有機硅化學為基礎，與特殊潤濕性表面和電催化等領域交叉，制備了一系列性能優異的鋰電池隔膜；探究了鋰電池隔膜與電解液之間的固-液界面相互作用，并獲中國發明專利授權4件。該團隊與超疏液表面等領域交叉，探索了隔膜的超疏水性對電池性能的影響，提出了超親電解液鋰電池隔膜的概念；探討了鋰皂石、凹凸棒石等不同微觀結構黏土礦物改性隔膜對電池性能的影響及作用機制；針對黏土礦物在隔膜中的應用缺陷，設計了金屬-氮修飾的黏土礦物納米材料改性隔膜，揭示了其在電池中的電催化機理；針對陶瓷隔膜中涂層易脫落等問題，采用原位聚合、液流誘導排列技術等制備了系列具有良好機械強度的多功能鋰電池隔膜。基于上述成果，科研人員總結了鋰電池隔膜的研究進展及現階段存在的問題和發展趨勢。

近日，該課題組與淮陰師范學院合作，報道了一種仿樹葉結構的鋰電池隔膜，用于解決高能量密度鋰金屬電池中不可控的鋰枝晶生長等問題。受樹葉分級結構及精細流體通道的啟發，科研人員結合液體/溫度誘導相分離和原位聚合反應，設計了具有分級多孔結構和離子選擇性的凹凸棒石/聚合物復合隔膜（圖1）。

研究表明，該隔膜可有效、快速傳遞鋰離子，同時能抑制鋰鹽陰離子的通過，從而實現鋰離子在鋰金屬負極表面均勻、定向沉積，改善了電池的界面穩定性和循環穩定性（圖2）。此外，該隔膜展示了超親電解液性能、高的電解液吸液率和保留率、良好的熱穩定性和阻燃性能。科研人員將該隔膜應用于鋰-硫電池和鋰-磷酸鐵鋰電池時，在室溫或高溫條件下均表現出優異的循環穩定性和倍率性能等。

相關研究成果以Plant Leaf-Inspired Separators with Hierarchical Structure and Exquisite Fluidic Channels for Dendrite-Free Lithium Metal Batteries為題，發表在Small上，并入選卷首插圖。研究工作得到國家自然科學基金委員會、蘭州化物所“十四五”規劃、甘肅省自然科學基金以及蘭州化物所協同創新聯盟合作基金等的支持。

此外，該團隊將凹凸棒石等黏土礦物的微觀形貌、晶體結構示意圖、礦山等發表在雜志封面或卷首插圖上（圖3）。