复旦李伟AFM:介孔二氧化硅涂层隔膜制备无枝晶锂金属电池

复旦大学李伟团队通过介孔二氧化硅涂层隔膜制备出无枝晶锂金属电池，该电池在10 mA cm?2下可实现Li|Li对称电池无枝晶沉积1000次稳定循环。以下从研究背景、隔膜改性策略、隔膜性能优势、电池性能表现几个方面进行详细介绍：研究背景高浓度极化诱导的锂枝晶严重阻碍了高能量密度锂金属电池的实际应用。为抑制锂枝晶，多孔材料被广泛探索，但它们的作用受限于孔隙的固有特征，特别是通道的几何形状和表面性质。隔膜改性策略本文提出了一种通过“枝晶通道”阻断“枝晶沉积”的隔膜改性策略。具体做法是通过具有独特枝晶介孔（DMS）的超小（≈100 nm）二氧化硅纳米球的紧密堆积，在聚丙烯隔膜上形成多孔的屏蔽膜。制造工艺示意图：展示了DMS@PP隔膜的制造流程。DMS纳米球的TEM图像：呈现出纳米球的微观结构。DMS@PP隔膜的俯视图和横截面FESEM图像：俯视图可观察到隔膜表面形态，横截面图像展示了隔膜的内部结构，插图为典型DMS@PP隔膜照片。N2吸附 - 解吸等温线及DMS纳米球孔径分布曲线：用于分析隔膜的孔隙特性，插图是相应介孔和堆积孔的示意图。隔膜性能优势使离子通量均匀：DMS薄膜具有分层孔隙，能使离子通量均匀分布。加速Li+运输：DMS薄膜提供了丰富的Si(OH)x基团，优先吸附电解质中的TFSI-，从而加速Li+的运输。相关机理如下图所示：改变锂生长方向：具有高复杂性的枝晶介通道可以使锂的生长方向多样化，有助于更实质性的Li+均质化过程。改善隔膜与电解液接触性能接触角：PP与DMS@PP隔膜的接触角测试结果显示，DMS@PP隔膜与电解液有更好的润湿性。电解液摄取：不同隔膜的电解液摄取结果表明，DMS@PP隔膜能吸收更多电解液。阻抗与Li+电导率：不同隔膜的阻抗图显示，DMS@PP隔膜估算出的Li+电导率更高。极化与EIS测试：采用PP和DMS@PP隔板的Li|Li对称电池极化前后电流随时间的变化及EIS测试表明，DMS@PP隔膜能有效降低电池极化。拉曼光谱：纯LiTFSI和分离器的拉曼光谱分析，进一步说明了DMS@PP隔膜对Li+运输的促进作用。Li+迁移数：室温下加入不同量DMS的电解质的Li+迁移数测试显示，DMS的加入提高了Li+迁移数。电池性能表现倍率性能和充放电曲线：安装了PP和DMS@PP隔膜的锂离子电池在不同电流密度下的倍率性能和充放电曲线显示，使用DMS@PP隔膜的电池具有更好的倍率性能。循环性能：在1C（1C = 170 mA g?1）和0.5 C（阴极质量负载为20 mg cm?2）下锂离子电池的循环性能测试表明，DMS@PP隔膜能显著提高电池的循环稳定性。循环后电极和隔膜形貌：使用DMS@PP隔膜从Li - lfp电池中收集的循环锂阳极的FESEM图像，以及从20 mg cm?2的锂金属充满电池中收集的循环DMS@PP隔膜的FESEM图像显示，循环后的电极和隔膜结构保持相对完整，进一步证明了DMS@PP隔膜对抑制锂枝晶、提高电池稳定性的有效作用。该研究为介孔分离器的制备提供了一种可扩展的方法，并为未来设计用于抑制枝晶的高级分离器提供了新的视角。论文原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202301586 ，通讯作者为复旦大学李伟。