中南大學Nature communications：新型隔膜助力鋰金屬電池走向應用

一、【導讀】

輕、薄、小型化的移動電子設備和電動汽車的快速發展需要更薄、能量密度更高的電池。超薄隔膜可以有效減小電池的重量和體積，但是耐熱性和電解液吸收能力不足，導致鋰離子電池壽命下降和容量衰減。此外，超薄隔膜容易被鋰樹枝晶刺穿，引發短路甚至爆炸。正是因為存在這些固有問題，市售的超薄隔膜在鋰金屬電池（LMBs）的組裝上尚未被采用。

鋰金屬電池對超薄隔膜的要求是能防鋰枝晶刺穿、質輕、高韌、良好的電解液吸收能力。金屬有機骨架（MOF）因具有獨特的亞納米結構，可以容納電解液，同時使鋰離子均勻分布，避免形成鋰枝晶，從而避免短路問題。將MOFs和超薄隔膜結合在一起，有望解決市售超薄隔膜固有問題。

在柔性多孔膜，尤其是超薄多孔膜表面上制備厚度可控的均勻、無裂紋MOF薄膜是長期面臨的挑戰。在柔性多孔膜（比如聚丙烯隔膜和聚丙烯微孔薄膜PP）上制備MOF的典型方法是直接刮涂MOF顆粒，即溶劑熱合成法，該方法需要在密封、加壓環境中進行，需要合適的反應溫度（100-200℃）以及長達2-8天的反應時間，并且MOF在多孔膜上的厚度不可控。

二、【成果掠影】

近日，中南大學常智副教授為第一作者，中南大學潘安強教授和日本筑波大學周豪慎教授為共同通訊作者的文章提供了一種電流驅動的電合成法，將MOF原位合成于市售的超薄隔膜上，獲得了改進型的ZIF-8@PP隔膜，具備極好的韌性和柔性，比表面積、電解液潤濕性、機械穩定性和熱穩定性均優于典型的超薄PP隔膜和傳統PP隔膜。使用ZIF-8@PP隔膜的鋰金屬電池的物理化學、電化學顯著提高。

相關研究成果以“An improved 9 micro thick separator for a 350Wh/kg lithium metal rechargeable pouch cell”為題發表在Nature Communications上。

三、【核心創新點】

（1）采用電流驅動的電合成法，常溫下無粘結劑即在PP隔膜孔洞內原位合成了無裂紋、厚度可控的MOF結構，整個過程由傳統工藝的2-8天減少到1小時。

（2）以8μm市售超薄PP隔膜為基體，在其上原位合成MOF，獲得了改進型的ZIF-8@PP隔膜，在不明顯增加厚度和重量的前提下，獲得了極佳的韌性、柔性、電解液潤濕性、機械穩定性和熱穩性。

（3）使用ZIF-8MOF@PP隔膜的Li//Cu半電池庫倫效率達到99.7%。使用ZIF-8MOF@PP隔膜的NCA//Li全電池經400周次循環后容量保持90%。獲得了高能量密度鋰金屬軟包電池，輸出能量密度為354Wh/kg，200周次循環后容量保持率為80%。

四、【數據概覽】

圖1傳統的超薄隔膜（8μm）在鋰金屬電池中的應用受限制。?2022 Nature Communications

圖2 MOF與柔性多孔膜結合的典型溶劑熱合成法和電合成法制備示意圖。?2022 Nature Communications

圖3 ZIF-8@PP隔膜的電合成示意圖及性能表征。?2022 Nature Communications

圖4 改進型超薄ZIF-8@PP的物理化學性能和ZIF-8 MOF通道中的電解液分析。?2022 Nature Communications

圖5 鋰金屬嵌入/脫嵌可逆性以及由改進型超薄ZIF-8@PP隔膜和雙倍過量預鍍Li電極組成的NCA//Li全電池循環性能。?2022 Nature Communications

圖6 由改進型超薄ZIF-8@PP隔膜組裝而成的350Wh/kg NCA//Li 軟包電池在典型碳酸鹽電解液中的性能和電池參數。?2022 Nature Communications

五、【成果啟示】

市售的超薄隔膜難以應用于鋰離子或鋰金屬電池，文章提供了制備鋰離子或鋰金屬電池超薄隔膜的新策略，通過電合成的方法在市售隔膜表面和孔洞內原位生成MOF，制備了改進型超薄隔膜ZIF-8@PP。用ZIF-8@PP隔膜制作的紐扣電池總體重量僅為市售超薄隔膜電池的12%。ZIF-8@PP隔膜內的聚合電解質使得Li//Cu半電池中鋰嵌入/脫嵌效率（庫倫效率）達到99.7%。基于改進型的ZIF-8@PP隔膜，獲得了實用的長壽命、碳酸鹽電解質的鋰金屬紐扣電池，400周次循環后容量保持率超過90%。更重要的是，獲得了高能量密度鋰金屬軟包電池，輸出能量密度為354Wh/kg，200周次循環后容量保持率為80%。軟包電池這些性能的提高，將加速鋰金屬電池走向應用。

文獻鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-34584-z