Small综述:高能量密度金属电池中功能性聚合物隔膜的设计准则

近年来,智能手机、可穿戴设备、电动汽车等新兴领域蓬勃发展,目前低能量密度电池体系(铅酸电池、镍镉电池、传统锂离子电池等)已难以满足先进电子器件的需求。因此,具有高能量密度与长循环稳定性的新一代电池系统亟待发展。现有的锂离子电池通常采用石墨作为负极,其理论容量为360 mAh g-1,若采用金属锂作为负极材料,其理论容量可达3860 mAh g-1,为石墨负极的10 倍左右,将有望大幅度提高锂电池的能量密度。但是,金属锂负极存在众多新问题,比如:充放电过程中负极界面处易产生大量锂枝晶,刺穿传统聚烯烃隔膜,造成电池短路甚至爆炸,这也导致了高能量密度金属锂电池迄今未能大规模应用。

不同于现有锂离子电池体系,高能量密度金属锂、钠电池体系中存在着枝晶状电沉积、不稳定的固态电解质膜(SEI)、正极活性物质流失等新的挑战,而广泛使用于现有锂离子电池中的聚烯烃微孔隔膜并不能解决上述新挑战。所以,对隔膜的化学组成及整体结构进行功能性设计以应对高能量密度金属电池体系中的种种挑战十分必要。

近日,浙江大学陆盈盈研究员和美国康奈尔大学Lynden A. Archer教授合作在Small期刊发表了题为“Design Principles of Functional Polymer Separators for High-Energy, Metal-Based Batteries”综述文章。该综述从发展超高机械强度聚合物隔膜、调节离子传导类隔膜和功能性复合隔膜,这三个角度对应用于高能量密度金属电池的新型功能性聚合物隔膜进行了总结,并从金属负极失效的机理角度出发,分析并总结了新型功能性聚合物隔膜的具体设计准则。在新型隔膜的设计准则中,隔膜不仅仅是起到了隔绝正负极接触的作用,具有超高机械强度的聚合物隔膜可以物理上抑制锂枝晶的生长,提高整体电池的安全性能;调节离子传导类隔膜可以均匀化界面处锂离子流或固定体系中阴离子以应对空间电荷引发的枝晶生长;功能性聚合物隔膜可以有效地抑制正极活性物质的穿梭与流失,从而提升电池整体性能。最后,该综述从隔膜结构调整、功能性响应、固态电解质和柔性电池发展及生产成本等角度展望了新型隔膜材料在下一代高能量密度金属电池领域中的发展前景,为新型隔膜设计提供了新的思路。

相关文章在线发表在Small(DOI: 10.1002/smll.201703001)上。浙江大学硕士生张魏栋及美国康奈尔大学博士涂正元为该论文的共同第一作者。