助力锂金属电池发展的神奇隔膜

发展新型能源代替传统化石能源是实现碳达峰、碳中和的必然途径。在众多的新型能源器件中，电化学能源器件因其高能量密度、长寿命、高可控和模块化、技术成熟等特点，已经被广泛应用于人们的日常生产生活中。其中，开发具有高能量密度的锂二次电池是满足日益增长的先进电化学储能系统需求的关键。

纳米通道是指孔径在纳米级别且孔道长度远大于孔道直径的纳米孔道，经过电荷修饰，纳米通道可实现高效的离子选择性。北京工业大学汪浩教授、张倩倩教授等提出了一种基于具有丰富纳米通道结构的金属有机骨架材料的锂金属电池隔膜，以实现对离子传输的调控，从而解决锂枝晶的问题。此工作有望通过利用具有调控离子传输功能的隔膜来促进高性能锂金属电池的发展。

抑制锂枝晶成核生长

张倩倩团队的研究工作是从纳米通道隔膜抑制锂枝晶的成核生长开始的。那究竟什么是锂枝晶呢？锂枝晶其实是锂电池在充电过程中锂离子还原时形成的树枝状金属锂，其生长会导致锂金属电池在循环过程中电极和电解液界面的不稳定，影响锂金属电池的安全性和稳定性。形成锂枝晶的过程统称为“析锂”，这一过程将对锂金属电池带来不可逆的损耗。

成核机制涉及锂枝晶开始成核的时间，并且锂枝晶成核的时间与锂金属负极表面的阴离子传输有很大关系。如果阴离子在电池中自由传输，锂枝晶成核时间就会变得很短，更利于成核生长。因此，张倩倩团队希望电池内部阴离子的传输受到限制，抑制它成核。于是，張倩倩团队把构筑的具有离子调控功能的阳离子选择隔膜应用于锂金属电池里，利用它降低阴离子的迁移数，来延长锂枝晶开始成核生长的时间，从而缓解锂金属电池的负极枝晶生长的问题，提高电池性能。

神奇的隔膜助力锂金属电池性能改善

目前，采用锂金属作为负极的高能量密度锂电池是一个比较热门和前沿的研究话题。但此种电池也存在不少问题，比如性能衰退较快和安全性不足等。造成这两大问题的原因大部分是负极表面形成枝晶。抑制枝晶生长的方法其实有很多，比如电极改性、电解质优化等。相比于其他抑制枝晶生长的方案，张倩倩团队提出的方案较为新颖，他们提出构筑具有离子传输调控功能的隔膜来实现锂金属表面枝晶的抑制。

张倩倩表示，从隔膜改性的角度上来看，由于隔膜厚度小、质量轻，所以能在不降低电池能量密度的基础上，实现锂金属负极的枝晶抑制。其主要原理与枝晶成核机制有关，即降低阴离子的迁移来有效延长枝晶的成核时间，从而从根本上抑制枝晶生长，通过此种方式将有望构筑无枝晶锂金属电池。

“我们通过构筑阳离子选择性纳米通道隔膜，可以实现锂离子在锂金属电池表面均匀沉积，从而抑制了枝晶生长，同时从枝晶成核和枝晶生长的角度上来看，这对锂金属电池枝晶问题会有所改善。”张倩倩说道。

提到下一步研究计划，张倩倩表示，团队将针对目前提出的构筑具有纳米通道的离子传输调控膜的方式，改善电池的性能。但是纳米通道隔膜的制备相对来说是一个技术壁垒，他们下一步将主要进行大面积、高质量的纳米通道隔膜制备方面的研究工作，制备出孔道尺寸小、孔密度高、孔道均匀、可以面向实际应用和生产的功能隔膜材料。