Nano Select:隔膜工程用于有效抑制锂金属负极枝晶生长的最新进展

锂金属负极因其具有的高理论容量(~3860 mAhg-1)、优越的体积能量密度、低的电化学电位和质量,被认为是下一代储能系统最有前途的负极材料。当锂金属负极与高能量密度正极组装时,可以实现高能量密度电池器件(例如锂空气电池具有>1,100 WhL-1的能量密度)。然而,锂枝晶的存在使得锂金属电池产生容量损失、周期寿命缩短,甚至有爆炸危险,这严重威胁和限制了锂金属电池的功能与应用。

隔膜作为锂电池器件中重要组成部分之一,在解决锂金属电池中的锂枝晶问题起到了举足轻重的地位。通过功能化隔膜设计,研究人员利用先进的纳米技术调控电解质化学反应、选择性调节/捕获电解液中离子以及改变枝晶生长方向等手段,实现了对锂枝晶生长动力学的抑制作用。

Nano Select近期发表了由哈尔滨工业大学特种环境复合材料技术国家级重点实验室何伟东教授撰写的综述文章“Recent advances in separator engineering for effective dendrite suppression of Li-metal anodes”(DOI: 10.1002/nano.202000004)。该综述文章了介绍了近年来隔膜工程在有效抑制锂金属负极枝晶生长方面的研究进展。首先,介绍了锂金属负极目前面临的挑战,并分析了隔膜在电池系统中不可替代的作用;其次,介绍了隔膜的重要表征参数与设计原理;然后,对隔膜功能化的主流技术及其对锂枝晶抑制的作用进行了详细的探讨。最后,总结表面改性隔膜与单层/多层隔膜的优缺点并对未来进行了展望,指出理想的电池隔膜不仅需要较高的机械强度、电化学稳定性、离子电导率和电解液润湿性,而且能够调节电池的内部物理化学环境以抑制枝晶生长。这需要先进的功能性隔膜来保持结构完整性,减缓电解质的分解速度,从而支持快速的离子传输,阻止枝晶渗透,并保持稳定的电池循环特性。