山东大学冯金奎教授课题组：PE隔膜改性实现5V锂金属电池

【研究背景】

随着电化学储能技术的进一步发展，为了寻求更高能量密度的电池，锂金属电池(LMBs)引起了人们的广泛关注。其拥有高的理论比容量(3860 mAh g⁻¹)，较低的电化学电位（-3.04V vs标准氢电极），是最为理想的下一代锂电池负极材料。然而，不可忽视的锂枝晶会刺穿隔膜，造成电池短路，引起安全性的问题，限制了锂金属电池的进一步发展。

【工作介绍】

近日，山东大学冯金奎课题组等人利用化学脱合金的方法制备了纳米尺寸的Bi金属材料，通过简单的涂布在PE隔膜上，取得了了抑制锂枝晶的效果。5V锂金属全电池使用碳酸脂类电解液（1 M LiPF₆ in EC/DEC with 10% FEC）在循环800圈后容量保持率达91%。通过第一性原理计算，发现了Li更倾向于吸附在Bi表面，以形成亲锂的合金层而抑制锂枝晶。该文章发表在国际顶级期刊Small上。蒋蕙宇为本文第一作者。

【内容表述】

为了实现锂金属电池的大规模生产，隔膜改性尤为关键。其不仅需要满足最基本的离子传导，同时也需要满足提高锂金属电池电化学性能的要求。本文设计的改性隔膜为Bi@PE，这里选择Bi作为改性隔膜的材料的原因是由于Bi能够与Li合金化，并通过化学脱合金能够制备出纳米尺度的Bi颗粒，有利于后期的涂布。通过这种改性方式，能够提高电解液对隔膜的浸润性，抑制锂枝晶，同时也有利于大规模的生产。

1. 通过化学脱合金的方法制备了纳米尺寸的Bi金属材料，并涂布在了PE隔膜上，实验表明，该方法可以提高电解液对隔膜的浸润性。

2. 沉积不同量的锂，改性的隔膜能够引导锂的沉积，从而抑制锂枝晶的形成。

3. 第一性原理计算发现，当Bi的表面吸附上一部分Li之后，再吸附的Li原子更倾向于吸附在Bi的表面上，有利于Li在Bi表面的平滑沉积。

4. 改性后的隔膜在锂金属电池中表现出了优异的电化学性能，800圈后5V全电池仍有91%的容量保持率。

图1 脱合金制备纳米尺度的Bi金属颗粒

图2 Bi改性隔膜与PE隔膜浸润性

图3 不同锂沉积量下的对比图

图4 Bi表面对于Li原子吸附的第一性原理计算

图5 锂金属电池电化学性能

【结论】

采用化学脱合金方法制备了纳米尺寸的Bi，并将其用于LMBs的隔膜改性。改性后的隔膜浸润性有所改善，具有抑制枝晶的效果。具有Bi改性的隔膜的LMBs在半电池和5V碳酸脂类全电池中表现出优异的电化学性能。在4mAh cm⁻²的条件下，可以避免锂枝晶的形成。第一性原理计算证明，锂原子在铋表面能更平滑地沉积。此外，制备的纳米尺寸的Bi颗粒作为钾离子电池负极也获得了良好的循环稳定性和倍率性能。

Huiyu Jiang, Xiaohang Lin, Chuanliang Wei, Jinkui Feng, Xuelei Tian, Scalable Synthesis of Nano-Sized Bi for Separator Modifying in 5V-Class Lithium Metal Batteries and Potassium Ion Batteries Anodes. Small 2021,11, https://doi.org/10.1002/smll.202104264