【儀表網 研發快訊】先進鋰金屬電池對促進純電動汽車、航空航天等領域快速發展具有重要意義，但界面穩定性差等技術瓶頸嚴重制約其商業化。調控隔膜表界面性能是解決這一瓶頸的有效途徑，可在不增加體積和質量的前提下顯著提升電池電化學性能，是構建高比能鋰金屬電池的重要策略，也是高性能隔膜的主要發展方向。
中國科學院蘭州化學物理研究所資源化學與能源材料研究中心硅基功能材料組長期從事超親電解液鋰電池隔膜/固態電解質應用基礎研究。該團隊以黏土礦物和有機硅化學為基礎，并與特殊潤濕性表面和電催化等多領域交叉，開發了一系列高性能鋰電池隔膜，研究了隔膜與電解液之間的固-液界面相互作用(iScience 2019,16,420；J Mater Chem A 2020,8,3692…)，揭示了離子的可控輸運規律(Energy Storage Mater 2021,37,135；ACS Appl Mater Interfaces 2022,14,49224；Small 2023,19,2301237(內封面)…)，闡明了正、負極與隔膜間固-固界面穩定性關系(Adv Energy Mater 2018,8,1801778(封面)；Chem Eng J 2023,451,138914；J Mater Chem A 2024,12,1026…)，系統總結了鋰電池隔膜的研究進展、現存問題及未來發展趨勢(J Mater Chem A 2022,10,14137(封面))。
近日，該團隊在鋰電池隔膜/固態電解質研究領域再獲新進展。
針對鋰-硫電池中因聚硫化物中間產物穿梭導致的硫正極與隔膜界面不穩定問題，通過綠茶中天然多酚類化合物在聚丙烯隔膜上的自發沉積，制備了一種超親電解液茶多酚增強離子選擇性隔膜(圖1)。得益于茶多酚化合物的高電子親和力和對鋰的強親和性，該隔膜不僅實現了鋰離子快速傳輸，還有效抑制了聚硫化物穿梭(Li2S4、Li2S6和Li2S8的穿梭率分別低至0.67%、0.19%和0.10%)。該隔膜在高硫負載、低電解液/硫比值及有限鋰過量的條件下，有效提升了鋰-硫電池倍率性能和循環穩定性。該成果以“Natural Polyphenol-Reinforced Ion-Selective Separators for High-Performance Lithium-Sulfur Batteries with High Sulfur Loading and Lean Electrolyte”為題，發表在Angew Chem Int Ed(2024,e202417031)上。該論文第一作者為楊燕飛副研究員，通訊作者為張俊平研究員，師彥平研究員對綠茶提取物質譜分析提供了指導。
圖1. 鋰-硫電池中隔膜與電極間界面演變的示意圖
同時，隨著能量型鋰金屬電池快速發展，電解液易泄露和易燃性等安全隱患成為亟需解決的問題。通過電解液和多孔膜集成，開發復合固態電解質是提升鋰金屬電池安全性和能量密度的有效途徑之一。受神經元結構及其高效信號傳輸、處理與存儲方式啟發，通過甲基三氯硅烷在蒙脫石表面可控水解縮合，合成了類神經元結構的超疏水有機硅納米線@蒙脫石納米填料(圖2)，構建了可適用于寬溫域鋰金屬電池的PEO基復合固態電解質。相比已報道的納米填料，該超疏水填料具有以下優勢，能在復合固態電解質中不同方向上形成長程連續的離子通道；更易與鋰鹽、聚合物發生Lewis酸-堿相互作用，促進鋰鹽解離，增加自由鋰離子數；復雜的分支結構可最大限度增強納米填料的補強效果。相關成果以“Neuron-Like Silicone Nanofilaments@Montmorillonite Nanofillers of PEO-Based Solid-State Electrolytes for Lithium Metal Batteries with Wide Operation Temperature”為題，發表在Angew Chem Int Ed(2024,64,e202400091)上，該論文第一作者為博士研究生王萬凱，通訊作者為楊燕飛副研究員和張俊平研究員。
圖2. 類神經元結構納米填料的設計制備
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