锂/钠金属因具有较高的理论比容量和较低的氧化还原电势，目前被认为是下一代高能量密度电池中非常有前景的负极材料。近日，松山湖材料实验室能源转换与存储材料团队和伊比利亚国际纳米技术实验室、以色列巴伊兰大学、天津理工大学合作，通过隔膜修饰调制离子通量提高锂/钠金属电池性能。相关研究发表于Advanced Energy Materials。
过去的研究发现，使用锂/钠金属作为负极需要克服电池充电过程中的枝晶生长及其引起的固体电解质界面断裂/修复、电解质消耗等问题。枝晶的生长不但会导致电池库伦效率降低，容量快速衰减，而且还可能诱发内部短路导致热失控，存在很大的安全隐患。因此，有效地抑制枝晶生长是将锂/纳金属应用于高能量密度电池的关键。
经过近几年的探索，研究人员已经提出了几种抑制枝晶生长的策略，包括使用具有三维多孔结构的集流体、引入人工固体电解质界面层、对电解液的组分进行优化、使用全固态电解质等等，但是通过对隔膜进行功能化修饰来抑制枝晶生长目前还鲜有报道。
最新研究中，研究人员通过简单的挥发沉降处理，将聚四氟乙烯纳米球嵌入玻璃纤维电池隔膜中。COMSOL Multiphysics（物理模拟仿真软件）模拟显示，将带有负电的聚四氟乙烯纳米球嵌入隔膜后，负极表面附近的局域电场得到增强并且变得有序，进而锂/钠离子的传输也得到了增强，实验上对离子迁移数的测量也证实了这一点。
进一步的电化学测试表明，在有聚四氟乙烯纳米球存在的情况下，Li//Li和Na//Na对称电池可以在0.5 mA/cm2的电流密度下分别稳定循环1245小时和2750小时，没有显著的短路或极化电压增加。相比而言，直接使用商用玻璃纤维隔膜，对称电池由于短路或极化电压过大很快失效。全电池的测试结果也表明，聚四氟乙烯纳米球嵌入玻璃纤维复合隔膜可以大大提升电池的循环寿命。在1C的倍率下，氟磷酸钒钠电池在循环340圈以后仍可以保持91%的容量。
研究人员进一步利用核磁共振研究了电化学性能增强的原因。结果表明，聚四氟乙烯纳米球的存在改变了碱金属离子和溶剂与隔膜中氧化硅的相互作用，有助于去溶剂化，增强锂离子和钠离子的输运以及均匀沉积，从而抑制了枝晶的生长。
相关论文信息：https://doi.org/10.1002/aenm.202204420
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