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中山大学吴丁财教授课题组《Nat. Commun. 》:利用功能化多孔高分子隔膜显著改善锂金属电池的大电流循环稳定性和安全性
2019-04-02 来源:中国流变网    点击次数:2759次    

  锂离子电池因其电压高、能量密度大、无记忆效应等优势在众多领域得到广泛应用;但其石墨负极材料的理论比容量仅为372 mAh g-1,难以满足新技术飞速发展对高能量密度二次电池的重大需求。相比较而言,锂金属具有比容量高(3860 mAh g-1)、化学电势低以及密度低等优点,有望作为锂硫电池、锂空电池等下一代高性能锂电池的负极材料。

  目前,多孔聚烯烃薄膜是锂金属电池的常用隔膜。然而,锂金属电极表面不可避免的突起使其表面锂离子流分布不均,容易导致不可控的锂枝晶生长(图1a),严重时会刺穿隔膜,导致电池内部短路而引发燃烧爆炸,极大地限制了锂金属电池的推广应用。

  最近,中山大学吴丁财教授课题组提出了一种利用功能化多孔聚烯烃隔膜改善锂金属电池性能的新思路。首先,利用SI-ATRP 技术合成一种二维分子刷(氧化石墨烯表面接枝富含亲锂基团的聚丙烯酰胺,GO-g-PAM);然后,将GO-g-PAM简单涂覆在多孔聚丙烯(PP)隔膜上,从而获得一类二维分子刷功能化多孔双层复合隔膜(GO-g-PAM@PP,图1b)。GO-g-PAM@PP 的毛发状PAM 分子链上的极性官能团可作为高效的亲锂功能位点,促进锂离子在电极表面的分子水平均匀分布,从而实现锂金属的均匀成核和沉积;二维分子刷相互堆叠形成的孔隙可以与极性官能团协同作用,通过电动效应促进锂离子的快速输运;高强度的GO 骨架可以提高隔膜的机械强度。因此,利用GO-g-PAM@PP 作为隔膜的锂金属电池即使在超大电流下(20 mA cm?2)仍具有优异的循环稳定性(>1900 h)。

图1.(a)PP 作为隔膜时,锂金属电极的凸起处电场强度高,锂离子容易在其附近聚集而形成锂枝晶;(b)GO-g-PAM@PP 作为隔膜时,GO-g-PAM 二维分子刷具有大量的亲锂官能团,可在分子层面促进锂离子在电极表面的均匀分布,从而实现锂金属的均匀成核和沉积

  该论文以“Two-dimensional molecular brush-functionalized porous bilayer composite separators toward ultrastable high-current density lithium metal anodes”为题发表在Nature Communications期刊上(Nat. Commun. 2019, 10, 1363)。文章通讯作者为中山大学吴丁财教授,第一作者为李传发刘绍鸿

  论文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-019-09211-z

 
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