電動汽車、電網儲能和便攜式電子設備的不斷應用和普及，極大地增加了對高效儲能設備特別是二次電池的開發需求。在現有的儲能解決方案中，可充電鋰離子電池以其能量密度高、重量輕、無記憶效應等優點被廣泛用作多種電源。金屬鋰作為電池負極材料具有高的理論比容量(3860mA·g-1)和低的氧化還原電位(-3.04V比標準氫電極)。因此，鋰金屬電池被認為是極具前景的下一代能源存儲系統的良好候選者。眾所周知，隔膜是鋰金屬電池的重要組成部分，它在防止正極與負極直接接觸以及允許鋰離子自由通過等方面起著至關重要的作用。隔膜的性能直接決定了所得電池的界面結構和內阻，這是提高電化學性能的關鍵。然而，鋰金屬電池的安全事故頻繁發生，這與鋰枝晶在高溫下的生長、易燃性和尺寸縮小所導致的內部短路密切相關。在這種情況下，迫切要求先進鋰金屬電池的隔膜具有優異的熱穩定性、較強的機械性能和良好的抑制枝晶的能力。
目前，商用隔膜主要是聚烯烴微孔膜，具有成本低、機械強度好、化學和電化學穩定性好等優點。但其固有的缺陷嚴重製約了其在高性能、高安全性鋰金屬電池中的應用。一方面，低熔點的特性使聚烯烴隔膜具有較差的耐熱性，使其在過高的工作溫度下損壞，導致內部短路故障，甚至引起火災和爆炸。另一方面，高活性的金屬鋰很容易與電解液自發反應，在鋰表面形成不穩定的固態電解液固相(SEI)膜。聚烯烴基底的電解質親和力較差，這可能導致鋰離子的界面相容性較差和沉積/溶解不均勻。在這種情況下，隨著鋰離子通量的增強，枝晶尖端具有相對高的電位，導致不均勻的鋰枝晶。此外，生成的樹狀鋰枝晶會穿透隔膜，觸發內部短路，引發重大的安全隱患。由此可見，均勻的孔徑結構、高孔隙率和良好的電解質親合力是分選機均勻化電流密度、消除鋰枝晶的重要因素。
近日，天津工業大學康衛民教授和程博聞教授團隊通過靜電紡絲技術製備了一種包含TBAHP(四丁基六氟磷酸銨)的PVDF-HFP/PMIA(聚偏二氟乙烯-六氟丙烯/聚間苯二甲酰胺)多尺度隔膜並將其用於鋰金屬電池中。這種多尺度結構具有較高的孔隙率、較小的孔徑和分佈均勻的孔結構，從而能夠具有超高的電解液親和性和超高的界面相容性。隔膜還具有優異的熱穩定性和超高的拉伸強度，這有助於從機械角度抑制枝晶生長並保證電池的安全性。此外，在TBAHP和多尺度結構的協同作用下，PVDF-HFP/PMIA基隔膜具有優異的鋰離子電導率、優異的界面穩定性和抗自放電性能。因此，利用多尺度結構PVDF-HFP/ PMIA基隔膜組裝的Li/LCO和Li-S電池獲得了優異的電化學性能和優異的循環耐久性，隔膜還具有優異的熱穩定性和超高的拉伸強度，這有助於從機械角度抑制枝晶生長並保證電池的安全性。相關研究成果以“
Highly multiscale structural Poly(vinylidene fluoridehexafluoropropylene)/polym-phenyleneisophthalamide separator with enhanced interface compatibility and uniform lithium-ion flux distribution for dendrite-proof lithium-metal batteries”為題目發表於期刊《Energy Storage Materials》上。
圖1 a) PP和b) T/F-P隔膜在循環過程中對鋰沉積的影響示意圖。
圖2 電紡多尺度結構T/F-P隔膜的製備及電池組裝原理圖。
圖3 a~g)不同納米纖維的SEM圖像(a: CP, b: FP, c: 1T/ f - p, d: 2T/ f - p, e: 3T/ f - p, f~g：4T/F-P不同放大倍數)；h~i) T/F-P膜中P和F元素的EDS圖像。
圖4 提出了多尺度結構的T/F-P隔膜對鋰離子沉積的影響機理。
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.ensm.2019.11.005
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