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国际知名学术期刊《Advanced Functional Materials》发表电研院贾坤教授最新研究成果

点击次数:  更新时间:2022-09-19 11:09:56  【打印此页】  【关闭

  近日,电子科技大学广东电子信息工程研究院(简称“电研院”)贾坤教授课题组在国际著名期刊《Advanced Functional Materials》发表了题为“Metal-Organic Framework Sandwiching Porous Super-Engineering Polymeric Membranes as Anionphilic Separators for Dendrite-free Lithium Metal Batteries”的研究论文。电子科技大学博士研究生林果为论文第一作者,贾坤教授和刘孝波教授为论文通讯作者,电子科技大学广东电子信息工程研究院(简称“电研院”)为合作单位。

  贾坤教授为论文通讯作者之一,同时也是电研院科研团队核心成员,在莞开展“液相芯片用功能高分子微球材料国产化关键技术研究”的研究工作,得到了广东省自然科学基金-面上项目资助的资助。在该项目研发期间,研究团队开发出一种具有界面反应活性的聚芳醚腈特种高分子,进一步的研究发现,该材料除了可用于制备高性能微球材料之外,还是一类制备面向动力电池的耐高温自阻燃锂电隔膜的理想原材料。

  随着人们对高性能储能设备需求的日益增加,开发更高能量密度的电池迫在眉睫。金属有机框架(MOF)是一类性能优异的晶态多孔材料,采用MOF材料对隔膜进行改性,并最大化MOFs的固有功能以调节锂电池内部离子传输扩散行为以抑制锂枝晶,同时增强隔膜的热稳定性,是提高锂金属电池性能与安全性的有效策略。

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  图1. 三明治结构MOFs/NA/MOFs隔膜的制备原理与过程。

  作者首先采用多巴胺涂层对聚芳醚腈多孔膜进行预处理,然后探索了在其表面原位生长MOFs的可行性、耐热性和阴离子吸收能力,选择ZIF-67来构建三明治结构的MOFs/NA/MOFs复合隔膜。图1展示了吸附阴离子基MOFs/NA/MOFs隔膜的界面工程原理与制备过程,功能性的MOFs原位生长于耐高温聚芳醚腈多孔膜的界面形成了三明治结构。

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  图2.(a)MOFs/NA/MOFs隔膜的设计概念与结构表征。

  制备的MOFs/NA/MOFs隔膜的形貌与结构表征,如图2所示。多巴胺预处理的PEN膜作为反应性基体以实现均匀MOFs层的原位生长,其精细形貌可通过简单调整MOFs前驱体溶液的溶剂组成来调节。

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  图3.(a)浸润电解液的隔膜的燃烧试验;(b)柔韧的MOFs/NA/MOFs隔膜;(c)商业PP隔膜和MOFs/NA/MOFs隔膜的液体电解质润湿性对比;(d)电解质吸收率;(e)电解液保持率。

  浸润电解液后的三明治结构复合隔膜在燃烧后没有出现明显的收缩破损现象,这对于预防锂电池内部短路和热失控有着重要意义(图3a)。同时,MOFs/NA/MOFs隔膜有着更加优异的电解液润湿性、更高的电解液吸收率和保持率(图3c-e)。对提高MOFs/NA/MOFs隔膜的电化学性能至关重要。

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  图4.(a-f)隔膜的电化学性能表征;(g)离子电导率和锂离子迁移数(tLi+)对比;(h-i)ZIF-67/锂盐拉曼光谱表征。

  此外,作者通过电化学方法研究了MOFs/NA/MOFs隔膜对离子迁移行为、电解质/电极界面阻抗和电化学稳定性的优化效果(图a-g)。MOFs/NA/MOFs隔膜的锂离子迁移数高达0.81、界面阻抗小于100Ω、电化学稳定窗口达到5V。拉曼光谱(图4h-i)、Zeta电位和DFT计算表明ZIF-67对阴离子(PF6-)有很强的吸附能力,这有助于锂盐的解离。

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  图5 使用MOFs/NA/MOFs隔膜的锂电池性能。

  为验证MOFs/NA/MOFs隔膜在锂金属电池的表现,作者将该隔膜应用于LiFePO4/Li电池中,相比于使用商业PP隔膜的电池,使用MOFs/NA/MOFs隔膜的电池阻抗更低,倍率性能更好,循环性能更佳,同时在高温下也能正常运行。

  总之,研究者设计了一种基于MOFs和耐高温高分子聚芳醚腈(PEN)的新型功能性隔膜。其表面MOFs层的微孔结构和亲阴离子特性,引导了均匀的锂沉积,促进了高Li+迁移数,近而实现高度可逆且无枝晶的Li金属负极。此外,此功能性隔膜耐高温的特性也拓宽了锂电池的安全运行温度范围。该工作为通过隔膜功能化策略开发安全、高性能锂电池开辟了新的途径。

  论文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.202207969


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