EEM：实用条件下探索12种隔膜对锂金属电池循环稳定性的影响

由于锂枝晶的形成和高反应性的表面性质，尽管锂金属负极（LMAs）有望实现，但实用锂金属电池（LMBs）的开发仍然具有挑战性。LMBs中使用的聚烯烃隔膜在与LMAs接触时可能会发生严重的机械和化学劣化。

韩国大邱庆北科学技术学院Yong Min Lee、Hongkyung Lee等为确定适合LMBs的最佳聚烯烃隔膜，研究调查了LMBs在实际条件下的隔膜确定性循环稳定性，并重新定义了关键影响因素，包括孔结构、机械稳定性和化学亲和力。

图1 使用不隔膜的Li||Cu和Li||Li电池性能

这里，作者在例如厚正极(>4 mAh cm^-2)、贫电解液质量/电池容量(E/C)比(~5 g Ah^-1)，以及较低的负极/正极容量(N/P)比(~2.5)条件下，分析了12种不同的商业隔膜，包括聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)和涂层隔膜，以将它们的机械性能和孔结构与LMAs溶胀行为和内部短路(SC)电阻相关联。

此外，作者专门使用局部高浓度电解质(LHCE)代替腐蚀性的LiPF₆/碳酸酯电解液，以消除对锂沉积质量的影响。尽管使用了兼容的电解液，但由于反应锂层的过度生长可能会增强电池内的压缩力，因此具有贫电解质的LMBs大多会失败。同时，隔膜与反应后的锂层相互作用并影响其均匀性和机械完整性，这与LMBs的循环稳定性密切相关。

图2 使用不隔膜的Li||NMC622电池性能

研究显示，采用PP隔膜的Li||Li电池和Li||LiNi_0.6Mn_0.2Co_0.2O₂(NMC622)电池的电池失效更快，这表明PP隔膜的纵向(MD)和横向(TD)强度不平衡会导致由LMAs膨胀驱动的较高压缩下的软SC。

相比之下，大多数PE隔膜在由过量锂沉积和Li||NMC622电池长循环驱动的较高压缩下始终表现出优异的抗SC失效性。PE隔膜的MD/TD拉伸强度平衡和PE孔结构高度连通的独特特性可以促进反应锂的均匀生长，缓解Li⁺通量分布的不均匀，从而减轻局部锂枝晶的生长。

此外，增强PE隔膜的拉伸模量有利于进一步抑制LMAs溶胀，但高模量Al₂O₃涂层不是优选的，因为由于SEI引起的孔堵塞或涂层处孤立Li引起的Li⁺通量不均匀。此外，亲水基团的表面功能化对LMBs的循环稳定性产生不利影响，与纯PE隔膜相比，显示出更差的容量保持率和更快的SC失效。该研究通过阐明隔膜改性对循环性能的影响，确定了实用LMBs隔膜的机械稳定性和对LMAs的化学亲和力的设计原则。

图3 决定LMBs循环稳定性的隔膜的关键因素示意图

Separator Dependency on Cycling Stability of Lithium Metal Batteries under Practical Conditions. Energy & Environmental Materials 2022. DOI: 10.1002/eem2.12397

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