锂负极具有超高的理论容量（3860 mAh g-1）和较低的氧化还原电位（相对于标准氢电极为-3.040 V），即锂金属电池（LMBs）被认为是下一代充电电池最有前景的候选产品。然而，锂枝晶生长和死锂形成的问题限制了LMBs的实际应用，尤其是在大电流条件下，温度分布不均会导致严重的安全问题。
在此，北京理工大学陈人杰团队提出在聚丙烯（PP）隔膜上原位组装聚多巴胺（PDA）和氮化铝（AlN）涂层的方法以解决锂金属电池面临的问题。其中，AlN颗粒被PDA包覆，PDA中的官能团与Al3+形成Al-O配位键，促进了Li+的均匀通量，降低了Li+的迁移势垒，从而实现了无枝晶的锂沉积。此外，所设计的PDA@AlN@PP隔膜具有优异的电解液润湿性、机械性能和稳定的热阻，可提供均匀的热分布。
结果显示，对称锂电池（在1 mA cm-2和1 mAh cm-2条件下超过1800小时）和锂/铜电池（在0.5 mA cm-2和0.5 mAh cm-2条件下超过600个循环，库仑效率超过98%）表现出了出色的长循环性能和高库仑效率。此外，相应的Li||LiFePO4电池在5 C条件下显示出91.3 mAh g-1的高比容量。
图1. DFT计算
总之，该项工作通过一种简单的策略开发出了一种功能性PDA@AlN@PP隔膜。研究显示，PDA@AlN上的极性官能团（N─H和O─H）和Al-O键显著提高了隔膜的表面润湿性，加速了Li+的转移动力学，从而使Li+通量均匀化，为Li+提供了快速扩散途径。DFT计算和实验结果表明，这些官能团和化学键可以通过一定程度的快速脱溶剂化作用，在一定程度上还原Li+周围的溶剂分子，抑制锂枝晶的形成，提高电化学性能。此外，AlN还具有高导热性和高刚性，因此可以为PP隔膜构建坚固的颗粒涂层。
结果显示，这种简单的策略使对称锂电池在8 和16 mA cm-2的条件下实现了超过400次稳定循环，表现出低电压滞后、更长的循环寿命和无枝晶界面。同时，Li||LFP全电池在循环500次后仍保持99%的高库仑效率。因此，该项工作有助于锂金属电池的实际应用，并有望应用于其他金属电池。
图2. Li||LFP全电池性能
Dendrite-Free Lithium Metal Batteries Enabled by Coordination Chemistry in Polymer-Ceramic Modified Separators, Advanced Functional Materials 2024 DOI: 10.1002/adfm.202314045
素材来源 | 电池未来
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