【摘要】 无枝晶锂离子电池（LIBs）通常是通过在锂负极上构建人工SEI层来实现的，不可避免地要在恶劣的运行条件下进行，给量产带来障碍。这个问题可以通过设计具有锂沉积可调性的多功能隔膜来解决。在此，所开发的隔膜上的MXene在控制锂金属的沉积构型和阻止由不均匀的锂枝晶生长引起的内部短路中起着至关重要的作用。

 

文章背景：

无枝晶锂离子电池（LIBs）通常是通过在锂负极上构建人工SEI层来实现的，不可避免地要在恶劣的运行条件下进行，给量产带来障碍。这个问题可以通过设计具有锂沉积可调性的多功能隔膜来解决。在此，所开发的隔膜上的MXene在控制锂金属的沉积构型和阻止由不均匀的锂枝晶生长引起的内部短路中起着至关重要的作用。

 

此外，基于由羟基磷灰石纳米线网络(缩写为HAP)填充并用MXene(表示为M-HAP@PVHF)装饰的聚(偏二氟乙烯-共-六氟丙烯)(缩写为PVHF)的所开发的隔膜在相同的阻燃性测试条件下显示出比常规聚丙烯(表示为PP)隔膜更好的安全性能。

 

成果简介：

香港城市大学支春义团队报道的M-HAP@PVHF隔膜可能有助于改善锂离子电池的安全运行，并进一步提高锂离子电池的循环性能。基于M-HAP@PVHF隔膜的对称电池提供了700小时的稳定寿命，由于形成了包含LiF的稳定固体电解质界面(SEI)层和均匀的Li沉积，在2mA cm-1下具有15.8 mV的超低过电位。

 

Li/MHAP@PVHF/LiCoO2全电池可以保持稳定的150次循环寿命，库仑效率超过95%，并且仍然提供99%的容量保持率(145 mAh g-1)。

 

图文导读：

在这里，本文提出了一种具有成本效益的双功能隔膜设计策略，即在隔膜上构建人工SEI层，并通过用层状MXene (称为Mn+1XnTx，其中M表示过渡金属，X表示碳或氮，T表示端基(-O，or -F等)装饰PVHF和HAP网络基质来增强其阻燃性能。)为LIBs。所得的M-HAP@PVHF隔膜表现出高机械强度和有效的阻燃性，能够实现均匀的Li枝晶生长速率，从而在循环过程中形成更平滑的SEI层。

 

由M-HAP@PVHF隔膜组装的Li对称电池表现出稳定的电镀/剥离循环(约700小时)，与PP相比过电位降低。此外，M-HAP@PVHF隔膜在整个耐火测试中没有收缩，证明了基于MXene的隔膜在构建高安全性锂基电池中的潜力。密度泛函理论(DFT)计算结果也揭示了-F端基的亲锂性，有助于含LiF的SEI层的均匀生长。

 

图1

 

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图4

 

图5

 

图6

 

总结与展望：

总之，大多数关于调节Li枝晶的研究集中于Li阳极改性，但是改性隔膜是更普遍的调节Li离子流量和抑制枝晶生长的方法，其不需要苛刻的操作条件。本文设计了一种具有优异的阻燃性和有效的Li枝晶可调性的双功能隔膜M-HAP@PVHF，其中PVHF由于其柔韧性和足够的机械强度而被选为聚合物骨架，HAP网络作为阻燃添加剂，而具有高亲锂性的柔性2D Ti3C2Tx MXene薄片作为Li枝晶调节剂。

 

SEM、非原位XPS和DFT计算揭示了SEI层主要由LiF组成，其致密和均匀的形貌归因于Ti3C2Tx MXene与F末端的固有Li亲和力。Li阳极上的均匀SEI层能够加速Li离子剥离和镀覆过程，与用商业PP隔膜组装的LIBs相比，在Li/Li对称电池测试中引起相当低的过电位。同时，我们的M-HAP@PVHF隔膜具有出色的阻燃性，在燃烧测试中持续20秒以上，没有任何明显的体积收缩。

 

因此，基于M-HAP@PVHF隔膜的对称电池提供了700小时的稳定寿命，在2mA cm-1下具有约15.8 mV的超低过电位，这要归功于LiF的稳定SEI层和Li枝晶的均匀沉积。进一步展示了由M-HAP@PVHF膜组装的LiCoO2/ Li全电池，展示了比商业隔膜改善的循环稳定性和倍率性能。这种双功能隔膜的合理设计可以显著提高构建人工SEI层的实际可行性，并降低电池爆炸的风险，为开发高安全性的锂基电池带来光明。

 

文献链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285522002853

 

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