科研進(jìn)展
蘭州化物所超親電解液鋰電池隔膜/固態(tài)電解質(zhì)研究獲新進(jìn)展
先進(jìn)鋰金屬電池對促進(jìn)純電動(dòng)汽車(chē)、航空航天等領(lǐng)域快速發(fā)展具有重要意義，但界面穩定性差等技術(shù)瓶頸嚴重制約其商業(yè)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(zhì)量的前提下顯著(zhù)提升電池電化學(xué)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(fā)展方向。
中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所資源化學(xué)與能源材料研究中心硅基功能材料組長(cháng)期從事超親電解液鋰電池隔膜／固態(tài)電解質(zhì)應用基礎研究。該團隊以黏土礦物和有機硅化學(xué)為基礎，并與特殊潤濕性表面和電催化等多領(lǐng)域交叉，開(kāi)發(fā)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(guān)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(jìn)展、現存問(wèn)題及未來(lái)發(fā)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(tài)電解質(zhì)研究領(lǐng)域再獲新進(jìn)展。
針對鋰－硫電池中因聚硫化物中間產(chǎn)物穿梭導致的硫正極與隔膜界面不穩定問(wèn)題，通過(guò)綠茶中天然多酚類(lèi)化合物在聚丙烯隔膜上的自發(fā)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(shí)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(guò)量的條件下，有效提升了鋰－硫電池倍率性能和循環(huán)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(fā)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(zhì)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(shí)，隨著(zhù)能量型鋰金屬電池快速發(fā)展，電解液易泄露和易燃性等安全隱患成為亟需解決的問(wèn)題。通過(guò)電解液和多孔膜集成，開(kāi)發(fā)復合固態(tài)電解質(zhì)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(jīng)元結構及其高效信號傳輸、處理與存儲方式啟發(fā)，通過(guò)甲基三氯硅烷在蒙脫石表面可控水解縮合，合成了類(lèi)神經(jīng)元結構的超疏水有機硅納米線(xiàn)＠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(tài)電解質(zhì)。相比已報道的納米填料，該超疏水填料具有以下優(yōu)勢，能在復合固態(tài)電解質(zhì)中不同方向上形成長(cháng)程連續的離子通道；更易與鋰鹽、聚合物發(fā)生Lewis酸－堿相互作用，促進(jìn)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(guān)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(fā)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(wàn)凱，通訊作者為楊燕飛副研究員和張俊平研究員。
圖2． 類(lèi)神經(jīng)元結構納米填料的設計制備
上述工作得到了國家自然科學(xué)基金、甘肅省自然科學(xué)基金等項目的支持。
