東華大學(xué)廖耀祖/呂偉課題組AEM: 快充和熱安全鋰金屬電池用共價(jià)有機(jī)框架納米纖維隔膜
東華大學(xué)廖耀祖/呂偉課題組AEM: 快充和熱安全鋰金屬電池用共價(jià)有機(jī)框架納米纖維隔膜
Polymer-science
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電動(dòng)汽車和便攜式電子設(shè)備的發(fā)展對電池在高能量密度、快速充電和安全方面提出了更高的要求。鋰金屬電池由于其高理論比容量（3860 mAh g
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）和低電化學(xué)還原電位的優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是有前途的替代品之一。然而，在快充高電流密度下，鋰離子傳輸動(dòng)力學(xué)緩慢，導(dǎo)致電解質(zhì)與陽極界面之間存在不均勻的鋰沉積和副反應(yīng)等問題，嚴(yán)重制約了鋰金屬電池的穩(wěn)定快充和安全性能。
針對這些問題，廖耀祖/呂偉課題組提出了一種通過構(gòu)建分級多孔功能隔膜來高效調(diào)控鋰離子傳輸動(dòng)力學(xué)的新策略，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了鋰離子快速、均勻、選擇性遷移。作者通過靜電紡絲和溶劑熱方法合成了酰胺鍵合的共價(jià)有機(jī)框架納米纖維膜（PAN/AM-COF），實(shí)現(xiàn)了鋰離子輸運(yùn)用分級連接孔通道的構(gòu)筑。其中親鋰性微孔通道的設(shè)計(jì)有效保證了鋰離子選擇性傳輸，分級連接孔通道則賦予了高離子電導(dǎo)率和均勻傳輸，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了高鋰離子遷移數(shù)t
Li+
（0.79）和高離子電導(dǎo)率σ（3.33 mS cm
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）。因此，PAN/AM-COF隔膜可有效穩(wěn)定陽極、抑制鋰枝晶的形成。借助商業(yè)化磷酸鐵鋰（LFP）組裝了Li||PAN/AM-COF||LFP電池，在10 C下進(jìn)行1000次循環(huán)后，比容量仍保持在72 mAh g
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，容量衰減每次循環(huán)低至0.037%。此外，結(jié)合其優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，其可在30 C的超高電流密度和100 °C的極端溫度下安全循環(huán)300次。證明了其在極端炎熱的氣候下，也能實(shí)現(xiàn)快速安全充電。這項(xiàng)工作為設(shè)計(jì)快充而安全的鋰金屬電池用隔膜提供了一種新的構(gòu)筑策略，同時(shí)拓寬了多孔聚合物在高溫快速安全儲能領(lǐng)域的應(yīng)用。
圖1 PAN/AM-COF分級多孔隔膜中離子傳輸路徑的示意圖，及分級多孔隔膜制備流程和形貌表征。
圖2 PAN/AM-COF分級多孔隔膜化學(xué)結(jié)構(gòu)、潤濕性和熱穩(wěn)定性表征。
圖3 PAN/AM-COF分級多孔隔膜離子傳輸性能表征和仿真計(jì)算驗(yàn)證