俞書宏&姚宏斌Nano Lett.：蝦殼衍生的幾丁質納米纖維膜用作鋰/鈉離子電池的環保隔膜

【背景介紹】

隔膜是鋰/鈉離子電池中分離陰極和陽極的必要組成部分，每年都會造成大量的消耗。因此，其綠色可持續性是可再生能源儲存系統的一個重要問題。然而，制造具有高機械強度，優異的熱穩定性和良好的電解質潤濕性并且兼顧環保的隔膜仍然具有挑戰性。

【成果簡介】

近日，來自中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家實驗室的俞書宏教授和姚宏斌教授（共同通訊）等人報道了一種衍生自蝦殼結構，通過自組裝幾丁質納米纖維制備的新型環保隔膜用于鋰/鈉離子電池中。研究發現，幾丁質納米纖維隔膜（CNM）的孔徑可以通過調節幾丁質納米纖維自組裝過程中造孔劑（檸檬酸二氫鈉，SDCA）的數量來調節。通過優化CNM的孔徑，具有CNM隔膜的LiFePO4/Li半電池的電化學性能可以與采用商業化聚丙烯（PP）隔膜的電池性能相媲美。更值得注意的是，CNM隔膜在LiFePO4/Li電池處于120°C條件下以及 Na3V₂(PO₄)₃/Na電池中展現了比PP隔膜更加優異的性能。相關成果以題為“Prawn Shell Derived Chitin Nanofiber Membranes as Advanced Sustainable Separators for Li/Na-Ion Batteries”發表在了Nano Letters上。該工作的第一作者是張天文。

【圖文導讀】

圖1 幾丁質納米纖維的SEM圖像和相關圖片

（a）獲得的幾丁質納米纖維懸浮液的圖片

（b） 獲得的幾丁質納米纖維的SEM圖像

（c） 直接真空干燥幾丁質納米纖維懸浮液得到CNM

（d） 在SDCA的作用下，CNM隔膜中納米孔的生成示意圖

?圖2 CNM隔膜的微結構表征

（a-e）幾丁質納米纖維懸浮液中不同量的SDCA（分別為0，20wt％，30wt％，40wt％和50wt％）作用下CNM隔膜的SEM圖像和相應的橫截面SEM圖像

（f）商業化PP隔膜的SEM圖像和相應的橫截面圖像

圖3 PP隔膜和CNM隔膜的性能

（a，b）分別為PP隔膜，纖維素無紡布隔膜和CNM隔膜的應力-應變曲線

（c）PP隔膜和幾丁質/ SDCA-40％隔膜的DSC曲線

（d）在150℃下熱處理0.5小時之前（左）和之后（右），PP隔膜和幾丁質/ SDCA-40％隔膜的圖片

（e，f）PP隔膜和Chitin / SDCA-40％隔膜上電解液滴的接觸角圖片

圖4?采用不同隔膜的LiFePO₄/Li半電池電化學性能比較

（a） 在1.0mV s^-1的掃描速率下，PP隔膜和幾丁質/SDCA-40％隔膜的線性掃描伏安曲線

（b） 在0.1C倍率（1C = 170mA g^-1）下，使用PP隔膜和幾丁質/SDCA-40％隔膜的LiFePO₄/Li半電池充電/放電電壓曲線

（c，d）分別使用不同充電/放電速率的PP隔膜和幾丁質/SDCA-40％隔膜的電池電壓分布

（e）使用PP隔膜、纖維素無紡布隔膜和幾丁質/SDCA-40％隔膜的電池在0.1C倍率下首次進行5個循環后，隨后以0.5C的倍率循環的循環性能

圖5?采用不同隔膜的LiFePO₄/Li半電池在120℃以及Na₃V₂(PO₄)₃/Na半電池的電化學性能對比

（a，b）不同隔膜的LiFePO₄/Li半電池以0.5C的倍率在120℃時測得的（a）充電/放電電壓曲線和（b）循環性能

（c，d）分別在0.1C和0.5C（1C = 117mA g-1）倍率下，不同隔膜的Na₃V₂(PO₄)₃/Na半電池的（c）充放電電壓曲線和（d）循環性能

【小結】

本研究從蝦殼中提取了幾丁質納米纖維，并使用這些納米纖維通過簡單的真空干燥工藝制造CNM隔膜，使用SDCA作為犧牲模板來制備納米孔。CNM隔膜的獨特的納米級多孔結構可以通過改變幾丁質納米纖維懸浮液中SDCA的含量進行微調，所制備的隔膜在鋰/鈉半電池中均展現了優異的性能。

文獻鏈接：Prawn Shell Derived Chitin Nanofiber Membranes as Advanced Sustainable Separators for Li/Na-Ion Batteries（Nano Lett.,2017,DOI:10.1021/acs.nanolett.7b01875）

中科大姚宏斌教授課題組簡介：

中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家實驗室姚宏斌課題組從生物材料的多級結構與性能構效關系以及綠色可持續設計理念出發，致力于新型高能量密度鋰電池的電極/電解質以及隔膜的定向結構設計以期實現其性能的提升和可持續發展。課題組負責人姚宏斌博士于2011年在中科大微尺度國家實驗室取得博士學位，師從俞書宏教授。2012年-2015年，在美國斯坦福大學材料科學與工程系從事博士后研究，合作導師崔屹教授。2015年入選中組部第六批青年千人，入職中科大，組建仿生與能源存儲課題組。該課題組以自然界螃蟹殼的多級孔道結構為模版制備了高性能硫/碳復合正極材料（Nano Lett.?2013, 13, 3385-3390）；提出了三維網絡結構銅納米線集流體設計來增加鋰金屬負極的沉積/脫出活性面積，從而提升鋰金屬負極的循環穩定性（Nano Lett.?2016, 16, 4431-4437；Energy Storage Mater.?2017, 9, 31-38）；基于三維網絡結構的金屬氧化物/碳化物-碳納米纖維雜化電極以及原位碳包覆結構設計實現了硫正極材料的性能提升（Nat. Commun.?2014, 5, 3943；ChemNanoMat. 2016, 2, 937-941；Angew. Chem. Int. Ed.?2017, DOI:10.1002/anie.201706199）；通過隔膜的表面碳納米顆粒修飾提升了鋰硫電池的循環性能（Energy & Environ. Sci.?2014, 7, 3381-3390）。

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