隨著人們對高性能儲能設備需求的日益增加,開發更高能量密度的電池迫在眉睫。鋰金屬陽極,因具有超過3860 mAh/g的理論比容量和最低的氧化還原電勢(-3.04 V,vs標準氫電極),受到了各國研究者的關注。然而,在鋰金屬電池長期的充電/放電循環過程中會產生鋰枝晶和不均勻的鋰沉積,導致有限的電池循環壽命乃至安全問題的出現。
已有大量研究致力于解決鋰金屬電池中的鋰枝晶問題,比如使用固體電解質、鋰負極界面改性、電解液添加劑,設計集流體、隔膜改性、構建人工固體電解質界面(SEI)層等。隔膜作為電解液貯存器的同時,也為鋰電池內部離子傳輸擴散提供了路徑,因此隔膜改性被認為是抑制鋰枝晶和調節鋰離子遷移的最理想途徑。由于其可調和高度有序的孔結構、大的比表面積和豐富的不飽和金屬位點,金屬有機框架(MOFs)被認為是調節鋰離子分布和抑制鋰枝晶的有效候選物,但絕大多數MOFs改性隔膜的方法通過粘接劑涂覆在隔膜表面,這勢必將削弱MOFs的固有功能,并導致大的界面阻抗。另一方面,傳統的聚烯烴隔膜存在熱穩定性差的缺點,當電池存在濫用情況時會產生安全隱患。因此,最大化MOFs的固有功能以調節鋰電池內部離子傳輸擴散行為以抑制鋰枝晶,同時增強隔膜的熱穩定性是提高鋰金屬電池性能與安全性的有效策略。

圖1. 三明治結構MOFs/NA/MOFs隔膜的制備原理與過程。

圖2.(a)MOFs/NA/MOFs隔膜的設計概念與結構表征。

圖3.(a)浸潤電解液的隔膜的燃燒試驗;(b)柔韌的MOFs/NA/MOFs隔膜;(c)商業PP隔膜和MOFs/NA/MOFs隔膜的液體電解質潤濕性對比;(d)電解質吸收率;(e)電解液保持率。

圖4.(a-f)隔膜的電化學性能表征;(g)離子電導率和鋰離子遷移數(tLi+)對比;(h-i)ZIF-67/鋰鹽拉曼光譜表征。

圖5 使用MOFs/NA/MOFs隔膜的鋰電池性能。
為驗證MOFs/NA/MOFs隔膜在鋰金屬電池的表現,作者將該隔膜應用于LiFePO4/Li電池中,相比于使用商業PP隔膜的電池,使用MOFs/NA/MOFs隔膜的電池阻抗更低,倍率性能更好,循環性能更佳,同時在高溫下也能正常運行。
總之,研究者設計了一種基于MOFs和耐高溫高分子聚芳醚腈(PEN)的新型功能性隔膜。其表面MOFs層的微孔結構和親陰離子特性,引導了均勻的鋰沉積,促進了高Li+遷移數,近而實現高度可逆且無枝晶的Li金屬負極。此外,此功能性隔膜耐高溫的特性也拓寬了鋰電池的安全運行溫度范圍。該工作為通過隔膜功能化策略開發安全、高性能鋰電池開辟了新的途徑。
論文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.202207969
- 吉大楊英威教授、秦建春教授團隊 JCR:金屬有機框架雙功能納米系統用于緩解酸鋁脅迫并調節植物生長 2024-11-19
- 英屬哥倫比亞大學 Zachary Hudson教授等 JACS:導向網狀化學合成介孔ZIFs 2024-11-02
- 浙江大學周民團隊《Biomaterials》:金屬有機框架-依達拉奉納米復合物用于治療放療引起的腦損傷 2024-10-10
- 大連理工大學蹇錫高院士團隊引領界面層設計革新 - 創新技術助力高溫環境下的CFRP性能提升 2024-04-22
- 大連理工大學蹇錫高院士團隊 CEJ:利用有機/無機混雜界面模量過渡層提升玄武巖纖維增強高性能熱塑性樹脂基復合材料性能 2023-04-20
- 北化汪曉東教授團隊 Adv. Sci.:三明治結構的氟化聚酰亞胺氣凝膠/石蠟相變復合材料用于同時實現梯度熱防護和透波性能 2024-12-09
- 華南理工大學瞿金平院士/張桂珍教授團隊 Matter:微三明治結構多孔膜用于持久高效被動輻射冷卻 2024-09-26