重庆大学徐朝和教授团队 Adv. Sci.：12μm功能化隔膜调控实现高性能金属锂电池无锂枝晶沉积

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金属锂不可控沉积而形成的枝晶、锂负极表面不稳定的SEI膜以及持续的电解液消耗等挑战，是采用锂为负极发展高性能金属锂电池的关键障碍，亦是当前学术界和工业界期望攻破的前沿电池技术。因此，如何用简便且易工程化的策略来协同实现这些功能，是当前电池材料和技术领域的研究热点问题。

图1. 功能隔膜调控锂沉积行为和抑制锂枝晶原理及其与部分代表性文献的对比

近期，重庆大学航空航天学院&国家镁合金材料工程技术研究中心徐朝和教授团队开发出一种多功能的复合涂层，并将其均匀的涂覆到商用PE隔膜上（图1），同步实现了金属锂电化学沉积/剥离行为的调控，达到了稳定锂表面SEI和抑制锂枝晶形成的目的。研究发现，将12 μm的商用PE基膜两侧各涂覆1.5 μm的改性涂层后，组装的锂//锂对称电池可以在大电流密度和高面容量工况下实现4000小时以上的稳定循环（图2），即使是在碳酸酯类电解液中亦可稳定循环超过2000小时，具备实用化潜力。进一步采用XPS深剖技术研究了SEI的化学组成，证实了功能隔膜对金属锂负极表面的调控作用（图3）。最后将该修饰隔膜与金属锂负极应用于高载量锂-硫电池（4.6 mg/cm²），其首次面容量达到了4.6 mAh/cm²，循环200周后仍>3 mAh/cm²（图4a-b）；同样的，当应采用磷酸铁锂和富锂正极材料时，采用该功能隔膜构建的金属锂电池同样展示出良好的循环性能（图4c-d）；进一步以富锂材料为正极组装的软包电池可稳定循环80次，最后还展示了该软包电池在驱动小型电动机器人方面的应用（图4e）。该工作以“Functionalzied 12 μm Polyethylene Separator to Realize Dendrite-Free Lithium Deposition towards Stable Lithium-Metal Batteries”为题发表在《Advanced Science》上。论文的第一作者是重庆大学博士研究生赵倩男同学。

图2. 功能隔膜调控实现锂//锂对称电池优异的循环稳定性以及无枝晶沉积
 
图3. 匹配功能隔膜的金属锂负极的SEI膜成分分析 
图4. 采用功能隔膜以及分别匹配硫正极材料、磷酸铁锂材料和富锂正极材料的金属锂电池性能与应用展示

该项工作是团队近期关于调控金属沉积/剥离行为以及电极/电解质界面调控研究取得的最新进展之一。该团队近一年来，还发展了导电聚合物纳米纤维膜作为锂沉积骨架，调控实现锂的无枝晶沉积，并探究了其沉积机理（Journal of Energy Chemistry 2021, 58, 285-291）；同样通过隔膜改性工程，协同实现了锂的均匀沉积/剥离、多硫离子的界面高效催化转化以及隔膜热稳定性的大幅提升（Nano Energy, 2022, 95, 106982）。针对固态界面问题，发展了普适性的氧化物界面改性涂层材料，实现了固态界面锂沉积/剥离行为的调控，大幅降低了固态界面电阻和循环稳定性（Science Bulletin, 2021, 66, 1746-1753）；发展出了超薄水滑石层状双氢氧化物界面改性层，改善了锂与电解质的界面亲和性（Chemical Communications, 2021, 57, 10214-10217）；针对聚合物基固体电解质，采用富含羟基的羟基磷灰石纳米线薄膜或氧化石墨烯作为聚环氧乙烯（PEO）固体电解质的功能填料（ACS Applied Materials and Interfaces, 2020, 12, 54637-54643; ACS Applied Energy Materials, 2021, 4, 3660-3669.），大幅提升了聚合物固体电解质的电化学性能和耐热性，最终研制出了耐高温金属锂电池，为发展高温特种锂电池提供了一定的借鉴。

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202102215

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