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研究發(fā)現(xiàn)隔膜修飾可提高鋰/鈉金屬電池性能
作者：朱漢斌 來源：中國科學(xué)報 
山東拓普生物工程有限公司  http://www.jlkcpj.cn
鋰/鈉金屬因具有較高的理論比容量和較低的氧化還原電勢，目前被認(rèn)為是下一代高能量密度電池中非常有前景的負(fù)極材料。近日，松山湖材料實驗室能源轉(zhuǎn)換與存儲材料團隊和伊比利亞國際納米技術(shù)實驗室、以色列巴伊蘭大學(xué)、天津理工大學(xué)合作，通過隔膜修飾調(diào)制離子通量提高鋰/鈉金屬電池性能。相關(guān)研究發(fā)表于Advanced Energy Materials。
過去的研究發(fā)現(xiàn)，使用鋰/鈉金屬作為負(fù)極需要克服電池充電過程中的枝晶生長及其引起的固體電解質(zhì)界面斷裂/修復(fù)、電解質(zhì)消耗等問題。枝晶的生長不但會導(dǎo)致電池庫倫效率降低，容量快速衰減，而且還可能誘發(fā)內(nèi)部短路導(dǎo)致熱失控，存在很大的安全隱患。因此，有效地抑制枝晶生長是將鋰/納金屬應(yīng)用于高能量密度電池的關(guān)鍵。
經(jīng)過近幾年的探索，研究人員已經(jīng)提出了幾種抑制枝晶生長的策略，包括使用具有三維多孔結(jié)構(gòu)的集流體、引入人工固體電解質(zhì)界面層、對電解液的組分進行優(yōu)化、使用全固態(tài)電解質(zhì)等等，但是通過對隔膜進行功能化修飾來抑制枝晶生長目前還鮮有報道。
最新研究中，研究人員通過簡單的揮發(fā)沉降處理，將聚四氟乙烯納米球嵌入玻璃纖維電池隔膜中。COMSOL Multiphysics（物理模擬仿真軟件）模擬顯示，將帶有負(fù)電的聚四氟乙烯納米球嵌入隔膜后，負(fù)極表面附近的局域電場得到增強并且變得有序，進而鋰/鈉離子的傳輸也得到了增強，實驗上對離子遷移數(shù)的測量也證實了這一點。
進一步的電化學(xué)測試表明，在有聚四氟乙烯納米球存在的情況下，Li//Li和Na//Na對稱電池可以在0.5 mA/cm2的電流密度下分別穩(wěn)定循環(huán)1245小時和2750小時，沒有顯著的短路或極化電壓增加。相比而言，直接使用商用玻璃纖維隔膜，對稱電池由于短路或極化電壓過大很快失效。全電池的測試結(jié)果也表明，聚四氟乙烯納米球嵌入玻璃纖維復(fù)合隔膜可以大大提升電池的循環(huán)壽命。在1C的倍率下，氟磷酸釩鈉電池在循環(huán)340圈以后仍可以保持91%的容量。
研究人員進一步利用核磁共振研究了電化學(xué)性能增強的原因。結(jié)果表明，聚四氟乙烯納米球的存在改變了堿金屬離子和溶劑與隔膜中氧化硅的相互作用，有助于去溶劑化，增強鋰離子和鈉離子的輸運以及均勻沉積，從而抑制了枝晶的生長。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1002/aenm.202204420
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