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ChemSusChem:无枝晶锂金属阳极隔膜的双结构材料设计

东华大学张晶晶博士在ChemSusChem期刊发文,从锂金属电池中隔膜材料和结构协同设计的角度出发,研究其在均匀锂离子分布、抑制锂枝晶生长和提高电池性能方面的作用机制。这项工作为解决金属锂负极的枝晶问题提供了一种新思路。

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当今社会的高速发展对能源存储与转化提出了更高的要求。金属锂因具有极高的理论比容量(3860 mAh/g)、极低的密度(0.59 g/cm3)和最负的电化学电位(-3.04V vs标准氢电极)而受到了广泛关注。然而,锂金属电池在充放电过程中存在严重的锂枝晶问题。这些枝晶在循环过程中不受控制地生长,可能会刺穿电池隔膜,造成电池短路甚至爆炸。


隔膜在电池中起着至关重要的作用,它避免了阴极和阳极的直接接触,并为锂离子的传输提供路径。然而,商业聚烯烃隔膜的孔隙率低、孔径分布不均,且与电解液浸润性不足。同时,聚烯烃隔膜本身的离子绝缘性也会使得锂离子主要集中在充满电解液的孔中,从而导致电解液-电极界面上锂离子分布不均匀,最终造成不均匀的锂沉积和锂枝晶生长。此外,聚烯烃隔膜通常存在热收缩问题,这也是造成锂金属{attr}2248{/attr}性能和安全性较差的重要原因之一。


鉴于此,东华大学张晶晶博士在ChemSusChem期刊发表研究论文,通过构筑中空多孔聚丙烯腈纳米纤维(HPPANF)薄膜作为锂金属电池的新型隔膜来解决以上问题。其中,纳米纤维的中空管道和表面至中空的三维贯穿通孔结构可以吸附并存储大量电解液,以实现高离子电导率;同时,HPPANF隔膜与金属锂负极界面处纳米级的电解液浸润有利于金属锂均匀沉积/剥离;此外,富含极性基团的HPPANF隔膜作为一种聚合物基固态电解质可以提供大量的三维锂离子传输通道。因此,得益于结构-材料的协同设计,HPPANF隔膜可以均匀锂离子的分布并实现无枝晶化锂沉积,从而稳定金属锂负极。与商业聚烯烃隔膜相比,使用HPPANF隔膜的锂金属电池电化学性能得到明显提升。此外,HPPANF隔膜具有更好的热稳定性,从而提高了电池的整体安全性。

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




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