助力鋰金屬電池發(fā)展的神奇隔膜

發(fā)展新型能源代替?zhèn)鹘y(tǒng)化石能源是實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的必然途徑。在眾多的新型能源器件中，電化學(xué)能源器件因其高能量密度、長(zhǎng)壽命、高可控和模塊化、技術(shù)成熟等特點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于人們的日常生產(chǎn)生活中。其中，開發(fā)具有高能量密度的鋰二次電池是滿足日益增長(zhǎng)的先進(jìn)電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)需求的關(guān)鍵。

納米通道是指孔徑在納米級(jí)別且孔道長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于孔道直徑的納米孔道，經(jīng)過電荷修飾，納米通道可實(shí)現(xiàn)高效的離子選擇性。北京工業(yè)大學(xué)汪浩教授、張倩倩教授等提出了一種基于具有豐富納米通道結(jié)構(gòu)的金屬有機(jī)骨架材料的鋰金屬電池隔膜，以實(shí)現(xiàn)對(duì)離子傳輸?shù)恼{(diào)控，從而解決鋰枝晶的問題。此工作有望通過利用具有調(diào)控離子傳輸功能的隔膜來促進(jìn)高性能鋰金屬電池的發(fā)展。

抑制鋰枝晶成核生長(zhǎng)

張倩倩團(tuán)隊(duì)的研究工作是從納米通道隔膜抑制鋰枝晶的成核生長(zhǎng)開始的。那究竟什么是鋰枝晶呢？鋰枝晶其實(shí)是鋰電池在充電過程中鋰離子還原時(shí)形成的樹枝狀金屬鋰，其生長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致鋰金屬電池在循環(huán)過程中電極和電解液界面的不穩(wěn)定，影響鋰金屬電池的安全性和穩(wěn)定性。形成鋰枝晶的過程統(tǒng)稱為“析鋰”，這一過程將對(duì)鋰金屬電池帶來不可逆的損耗。

成核機(jī)制涉及鋰枝晶開始成核的時(shí)間，并且鋰枝晶成核的時(shí)間與鋰金屬負(fù)極表面的陰離子傳輸有很大關(guān)系。如果陰離子在電池中自由傳輸，鋰枝晶成核時(shí)間就會(huì)變得很短，更利于成核生長(zhǎng)。因此，張倩倩團(tuán)隊(duì)希望電池內(nèi)部陰離子的傳輸受到限制，抑制它成核。于是，張倩倩團(tuán)隊(duì)把構(gòu)筑的具有離子調(diào)控功能的陽離子選擇隔膜應(yīng)用于鋰金屬電池里，利用它降低陰離子的遷移數(shù)，來延長(zhǎng)鋰枝晶開始成核生長(zhǎng)的時(shí)間，從而緩解鋰金屬電池的負(fù)極枝晶生長(zhǎng)的問題，提高電池性能。

神奇的隔膜助力鋰金屬電池性能改善

目前，采用鋰金屬作為負(fù)極的高能量密度鋰電池是一個(gè)比較熱門和前沿的研究話題。但此種電池也存在不少問題，比如性能衰退較快和安全性不足等。造成這兩大問題的原因大部分是負(fù)極表面形成枝晶。抑制枝晶生長(zhǎng)的方法其實(shí)有很多，比如電極改性、電解質(zhì)優(yōu)化等。相比于其他抑制枝晶生長(zhǎng)的方案，張倩倩團(tuán)隊(duì)提出的方案較為新穎，他們提出構(gòu)筑具有離子傳輸調(diào)控功能的隔膜來實(shí)現(xiàn)鋰金屬表面枝晶的抑制。

張倩倩表示，從隔膜改性的角度上來看，由于隔膜厚度小、質(zhì)量輕，所以能在不降低電池能量密度的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)鋰金屬負(fù)極的枝晶抑制。其主要原理與枝晶成核機(jī)制有關(guān)，即降低陰離子的遷移來有效延長(zhǎng)枝晶的成核時(shí)間，從而從根本上抑制枝晶生長(zhǎng)，通過此種方式將有望構(gòu)筑無枝晶鋰金屬電池。

“我們通過構(gòu)筑陽離子選擇性納米通道隔膜，可以實(shí)現(xiàn)鋰離子在鋰金屬電池表面均勻沉積，從而抑制了枝晶生長(zhǎng)，同時(shí)從枝晶成核和枝晶生長(zhǎng)的角度上來看，這對(duì)鋰金屬電池枝晶問題會(huì)有所改善?！睆堎毁徽f道。

提到下一步研究計(jì)劃，張倩倩表示，團(tuán)隊(duì)將針對(duì)目前提出的構(gòu)筑具有納米通道的離子傳輸調(diào)控膜的方式，改善電池的性能。但是納米通道隔膜的制備相對(duì)來說是一個(gè)技術(shù)壁壘，他們下一步將主要進(jìn)行大面積、高質(zhì)量的納米通道隔膜制備方面的研究工作，制備出孔道尺寸小、孔密度高、孔道均勻、可以面向?qū)嶋H應(yīng)用和生產(chǎn)的功能隔膜材料。