北京理工大学陈人杰教授AFM：聚合物-陶瓷改性隔膜使无枝晶锂金属电池成为可能！

作为锂离子电池的潜在替代品，锂金属电池（LMBs）被认为是下一代充电电池最有前景的候选产品，因为锂负极具有超高的理论容量（3860 mAh g-1）和较低的氧化还原电位（相对于标准氢电极为-3.040 V）。但是，锂枝晶生长和死锂形成的问题限制了LMBs的实际应用，尤其是在大电流条件下，温度分布不均会导致严重的安全问题。

近日，北京理工大学陈人杰教授介绍了在聚丙烯（PP）隔膜上原位组装聚多巴胺（PDA）和氮化铝（AlN）涂层的方法，以应对上述挑战。其中，AlN颗粒被PDA包覆，PDA中的官能团与Al3+形成Al-O配位键，促进了Li+的均匀通量，降低了Li+的迁移障碍，从而实现了无枝晶的锂沉积。此外，所设计的PDA@AlN@PP隔膜具有优异的电解液润湿性、更强的机械性能和稳定的热阻，可提供均匀的热分布，并可作为防止枝晶渗透的坚固屏障。因此，对称锂电池（在1 mA cm-2和1 mAh cm-2条件下超过1800小时）和锂/铜电池（在0.5 mA cm-2和0.5 mAh cm-2条件下超过600个循环，库仑效率超过98%）表现出了出色的长循环性能和高库仑效率。此外，相应的Li||LiFePO4电池在5 C条件下显示出91.3 mAh g-1的高比容量。这项工作为设计高性能锂金属电池的功能化隔膜提供了一种新方法。

文章要点：

1. 这项工作通过一种简单的策略开发出了一种功能性PDA@AlN@PP隔膜。研究显示，PDA@AlN上的极性官能团（N─H和O─H）和Al-O键显著提高了隔膜的表面润湿性，加速了Li+的转移动力学，从而使Li+通量均匀化，为Li+提供了快速扩散途径。

2. DFT计算和实验结果表明，这些官能团和化学键可以通过一定程度的快速脱溶剂化作用，在一定程度上还原Li+周围的溶剂分子，抑制锂枝晶的形成，提高电化学性能。此外，AlN还具有高导热性和高刚性，因此可以为PP隔膜构建坚固的颗粒涂层。这种涂层有助于实现均匀的温度分布，作为防止锂枝晶生长的最后一道物理屏障，并减轻循环过程中体积变化造成的压力。

3. 因此，这种简单的策略使对称锂电池在8 和16 mA cm-2的条件下实现了超过400次稳定循环，表现出低电压滞后、更长的循环寿命和无枝晶表面。同时，Li||LFP全电池在循环500次后仍保持99%的高库仑效率。这项工作有助于锂金属电池的实际应用，并有望应用于其他金属电池。

图1 改性隔膜制备及表征

图2 Li||Cu电池表征

图3 对称锂电池性能

图4 Li||LFP全电池性能

原文链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202314045

转自：“高分子科学前沿”微信公众号

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