研究背景

一般來說，隔膜是一層薄的(通常為幾十微米)多孔膜，它阻止了正負極之間的物理接觸，同時允許鋰離子和陰離子通過。雖然隔膜通常被認為是電化學(xué)不活潑的電池組件，但就電池的性能和安全性而言，它的物理性能不應(yīng)被忽視。

隔膜的基本要求包括：

1. 對離子傳輸?shù)牡妥栊?

2. 高溫下的良好熱穩(wěn)定性;

3. 具有較高強度以防止隔膜在電池纏繞過程中的變形;

4. 化學(xué)和電化學(xué)惰性，以消除與電極和電解液接觸時的副反應(yīng)。

聚烯烴隔膜可以滿足上述要求，聚乙烯(PE)和聚丙烯(PP)自20世紀90年代商業(yè)化以來一直被認為是LIBs(鋰離子電池)的主要組成部分。但是，將聚烯烴隔膜順利地從LIBs過渡到LMBs(鋰金屬電池)還有額外的要求。

LMBs中的隔膜會受到嚴重的機械壓縮，主要是由于LMB的過度膨脹。為了克服聚烯烴隔膜的局限性，人們通過用新材料改造隔膜、調(diào)節(jié)隔膜的孔結(jié)構(gòu)或用表面涂層對隔膜進行機械加固等方法來改善隔膜的性能。

值得注意的是，聚烯烴隔膜的功能性涂層為了提高機械強度和調(diào)節(jié)鍍鋰。用高摩爾無機鹽、石墨烯、和電子導(dǎo)電膜對鍍鋰的形態(tài)有明顯的調(diào)節(jié)作用。此外，具有有序孔結(jié)構(gòu)和金屬/共價有機骨架(MOFs/COFs)的涂層已被建議用于LMA。雖然已經(jīng)提出了許多涂層材料，但無論是哪種類型的聚烯烴隔膜，大多數(shù)研究都沒有考慮到在選擇最合適的聚烯烴隔膜進行涂層時隔膜的機械/化學(xué)穩(wěn)定性以及隨后可能對LMBs在受控條件下循環(huán)穩(wěn)定性的影響。

工作簡介

圖片來源;Energy & Environmental Materials

韓國大邱慶北科學(xué)技術(shù)學(xué)院Yong Min Lee和Hongkyung Lee教授等人研究了使用聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)等 12 種不同的商用隔膜，研究了LMB在實際條件下隔膜的性質(zhì)，并重新定義了關(guān)鍵影響因素，包括孔結(jié)構(gòu)、機械穩(wěn)定性和化學(xué)親和力。在由LMA膨脹引發(fā)的極端壓縮下，通過平衡縱向和橫向拉伸強度來釋放各向同性應(yīng)力對于減輕電池短路至關(guān)重要。與PP隔膜不同，具有高彈性模量和高度連通孔結(jié)構(gòu)的PE隔膜可以均勻調(diào)節(jié)LMA的膨脹。陶瓷涂層增強了短路電阻，而由于陶瓷和LMA(鋰金屬陽極)之間的有害相互作用，循環(huán)效率迅速降低。本研究通過闡明隔膜改性對循環(huán)性能的影響，確定了實用LMB隔膜在機械穩(wěn)定性和對LMA化學(xué)親和力方面的設(shè)計原則。

圖文概述

商用PE和PP隔膜以及涂層隔膜的參數(shù)(圖片來源;Energy & Environmental Materials)

(a)利用Li||Cu電池測量各種隔膜的庫侖效率(CE)。(b)在電流密度為1.5 mA cm?2下，用計時電位法測量Li||Li對稱電池的短路時間的比較。(圖片來源;Energy & Environmental Materials)

總 結(jié)

本文研究了12種商用聚烯烴隔膜的幾個關(guān)鍵參數(shù)，以及它們的結(jié)構(gòu)、化學(xué)和機械性能在受控條件下影響LMBs循環(huán)穩(wěn)定性的機理。

盡管使用了兼容的電解質(zhì)，但由于反應(yīng)鋰層的過度生長可能會增強電池內(nèi)的壓力，具有貧電解質(zhì)的LMB大多會失效。

與PP隔膜相比，大多數(shù)PE隔膜在較強壓縮下始終表現(xiàn)出出色的抗短路失效性。PE隔膜具有平衡的MD/TD抗拉強度和高度連通性孔結(jié)構(gòu)的獨特特性，可以促進Li的均勻生長，緩解Li+通量分布的不均勻，從而減緩局部Li枝晶的生長。

增強PE隔膜的拉伸模量有利于進一步抑制LMA膨脹，高模量Al2O3涂層不是優(yōu)選的，高模量 Al2O3 涂層不是優(yōu)選的，因為導(dǎo)致由SEI引起的孔堵塞或涂層處孤立的Li引起的Li+通量是不均勻的。

此外，含親水基團的表面官能化對LMBs的循環(huán)穩(wěn)定性有不利影響，表現(xiàn)出比純PE隔膜更差的容量保持性和更快的短路失效。

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