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武漢理工李俊升、劉金平教授團(tuán)隊(duì) Angew：聚烯烴隔膜的可控界面化學(xué)調(diào)控及其鉀金屬電池應(yīng)用
2023-07-12  來(lái)源：高分子科技

  聚烯烴因其具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、適宜的孔隙率及較低的制造成本成為二次電池引用中最常用的隔膜材料。然而，目前商用聚烯烴隔膜對(duì)電解液潤(rùn)濕性差，難以調(diào)控電極表面的離子濃度，抗穿刺性能差，無(wú)法直接應(yīng)用于鉀金屬電池等具有高應(yīng)用潛力的新型能源器件中。對(duì)聚烯烴隔膜的表面進(jìn)行可控的化學(xué)修飾是調(diào)控其隔膜-電極界面的有效方式，有望實(shí)現(xiàn)聚烯烴隔膜在鉀金屬電池中的應(yīng)用。


  近日，武漢理工大學(xué)李俊升與劉金平教授團(tuán)隊(duì)發(fā)展了一種聚烯烴隔膜修飾的新策略。在該策略中，具有不同功能的結(jié)構(gòu)基元，如可賦予隔膜優(yōu)異離子傳導(dǎo)特性的氨基官能團(tuán)和可為隔膜提供良好剛性的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)框架，被集成于功能化MOF材料中（NM），并通過(guò)簡(jiǎn)單的刮涂法修飾至PP/PE/PP聚烯烴隔膜（PEP）表面。這一修飾策略可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，且可通過(guò)現(xiàn)有的隔膜生產(chǎn)工藝進(jìn)行放大，是理想的面向金屬電池應(yīng)用的隔膜修飾制備方法。


  PEP-NM中的NM可通過(guò)Cr與FSI-中N的結(jié)合及氫鍵等作用力將FSI-吸附于隔膜。這一吸附作用可促進(jìn)鉀鹽的解離。同時(shí)，PEP-NM隔膜具有良好的電解液潤(rùn)濕性。這些特性的組合使得PEP-NM具有的高的K+電導(dǎo)率和離子遷移數(shù)。此外，PEP-NM隔膜具有較高的穿刺強(qiáng)度與彈性模量，可以有效防止枝晶生長(zhǎng)刺穿隔膜。使用普魯士藍(lán)鉀正極和PEP-NM隔膜組裝的鉀金屬電池經(jīng)500次充放電循環(huán)后（200 mAg-1），其放電容量比商用玻璃纖維隔膜組裝的電池提高了約36.5%。PEP-NM優(yōu)異的鉀金屬電池性能也在基于不同正極材料和電解液的鉀金屬電池中得到了驗(yàn)證。本工作提出的隔膜修飾策略有望成為一種通用的面向新型金屬二次電池隔膜設(shè)計(jì)的通用方法。


圖1 PEP-NM隔膜抑制鉀枝晶生長(zhǎng)的相關(guān)機(jī)制。


圖2 改性前后隔膜的（a）抗穿刺性能及彈性模量；（b）熱穩(wěn)定性；（c）電解液潤(rùn)濕性；（d）電化學(xué)穩(wěn)定性；（e）離子電導(dǎo)率及（f）離子遷移數(shù)表征結(jié)果。
 

圖3 基于不同正極材料和不同隔膜的鉀金屬電池充放電循環(huán)性能。


  該工作以“Polyolefin-Based Separator with Interfacial Chemistry Regulation for Robust Potassium Metal Batteries”為題發(fā)表于Angewandte Chemie。論文第一作者是武漢理工大學(xué)化學(xué)化工與生命科學(xué)學(xué)院碩士涂龍和曼徹斯特大學(xué)物理與天文系博士生張志佳。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。


  論文鏈接： https://doi.org/10.1002/ange.202306325

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