硅基超親電解液鋰電池隔膜研究獲進(jìn)展

中國科學(xué)院蘭州化學(xué)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(xué)儲(chǔ)能技術(shù)，是電動(dòng)汽車、航空航天等領(lǐng)域發(fā)展的基礎(chǔ)。然而，在構(gòu)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(chǎn)物穿梭等問題制約了產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。與其他策略相比，隔膜的表界面調(diào)控可耦合正、負(fù)極界面問題的解決方案，且具有不易增加電池體積和質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)，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(fā)展方向之一。中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所環(huán)境材料與生態(tài)化學(xué)研發(fā)中心（甘肅省黏土礦物應(yīng)用研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(jìn)展。

該團(tuán)隊(duì)以黏土礦物、有機(jī)硅化學(xué)為基礎(chǔ)，與特殊潤濕性表面和電催化等領(lǐng)域交叉，制備了一系列性能優(yōu)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(fā)明專利授權(quán)4件。該團(tuán)隊(duì)與超疏液表面等領(lǐng)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(jié)構(gòu)黏土礦物改性隔膜對電池性能的影響及作用機(jī)制；針對黏土礦物在隔膜中的應(yīng)用缺陷，設(shè)計(jì)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(jī)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(dǎo)排列技術(shù)等制備了系列具有良好機(jī)械強(qiáng)度的多功能鋰電池隔膜?；谏鲜龀晒蒲腥藛T總結(jié)了鋰電池隔膜的研究進(jìn)展及現(xiàn)階段存在的問題和發(fā)展趨勢。

近日，該課題組與淮陰師范學(xué)院合作，報(bào)道了一種仿樹葉結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)及精細(xì)流體通道的啟發(fā)，科研人員結(jié)合液體/溫度誘導(dǎo)相分離和原位聚合反應(yīng)，設(shè)計(jì)了具有分級多孔結(jié)構(gòu)和離子選擇性的凹凸棒石/聚合物復(fù)合隔膜（圖1）。

研究表明，該隔膜可有效、快速傳遞鋰離子，同時(shí)能抑制鋰鹽陰離子的通過，從而實(shí)現(xiàn)鋰離子在鋰金屬負(fù)極表面均勻、定向沉積，改善了電池的界面穩(wěn)定性和循環(huán)穩(wěn)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(wěn)定性和阻燃性能?？蒲腥藛T將該隔膜應(yīng)用于鋰-硫電池和鋰-磷酸鐵鋰電池時(shí)，在室溫或高溫條件下均表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能等。

相關(guān)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(fā)表在Small上，并入選卷首插圖。研究工作得到國家自然科學(xué)基金委員會(huì)、蘭州化物所“十四五”規(guī)劃、甘肅省自然科學(xué)基金以及蘭州化物所協(xié)同創(chuàng)新聯(lián)盟合作基金等的支持。

此外，該團(tuán)隊(duì)將凹凸棒石等黏土礦物的微觀形貌、晶體結(jié)構(gòu)示意圖、礦山等發(fā)表在雜志封面或卷首插圖上（圖3）。