先进锂金属电池对促进纯电动汽车、航空航天等领域快速发展具有重要意义，但界面稳定性差等技术瓶颈严重制约其商业化。调控隔膜表界面性能是解决这一瓶颈的有效途径，可在不增加体积和质量的前提下显著提升电池电化学性能，是构建高比能锂金属电池的重要策略，也是高性能隔膜的主要发展方向。
中国科学院兰州化学物理研究所资源化学与能源材料研究中心硅基功能材料组长期从事超亲电解液锂电池隔膜/固态电解质应用基础研究。该团队以黏土矿物和有机硅化学为基础，并与特殊润湿性表面和电催化等多领域交叉，开发了一系列高性能锂电池隔膜，研究了隔膜与电解液之间的固-液界面相互作用（iScience 2019,16,420；J Mater Chem A 2020,8,3692…），揭示了离子的可控输运规律（Energy Storage Mater 2021,37,135；ACS Appl Mater Interfaces 2022,14,49224；Small 2023,19,2301237（内封面）…），阐明了正、负极与隔膜间固-固界面稳定性关系（Adv Energy Mater 2018,8,1801778（封面）；Chem Eng J 2023,451,138914；J Mater Chem A 2024,12,1026…），系统总结了锂电池隔膜的研究进展、现存问题及未来发展趋势（J Mater Chem A 2022,10,14137（封面））。
近日，该团队在锂电池隔膜/固态电解质研究领域再获新进展。
针对锂-硫电池中因聚硫化物中间产物穿梭导致的硫正极与隔膜界面不稳定问题，通过绿茶中天然多酚类化合物在聚丙烯隔膜上的自发沉积，制备了一种超亲电解液茶多酚增强离子选择性隔膜（图1）。得益于茶多酚化合物的高电子亲和力和对锂的强亲和性，该隔膜不仅实现了锂离子快速传输，还有效抑制了聚硫化物穿梭（Li2S4、Li2S6和Li2S8的穿梭率分别低至0.67%、0.19%和0.10%）。该隔膜在高硫负载、低电解液/硫比值及有限锂过量的条件下，有效提升了锂-硫电池倍率性能和循环稳定性。该成果以“Natural Polyphenol-Reinforced Ion-Selective Separators for High-Performance Lithium-Sulfur Batteries with High Sulfur Loading and Lean Electrolyte”为题，发表在Angew Chem Int Ed（2024,e202417031）上。该论文第一作者为杨燕飞副研究员，通讯作者为张俊平研究员，师彦平研究员对绿茶提取物质谱分析提供了指导。
图1. 锂-硫电池中隔膜与电极间界面演变的示意图
同时，随着能量型锂金属电池快速发展，电解液易泄露和易燃性等安全隐患成为亟需解决的问题。通过电解液和多孔膜集成，开发复合固态电解质是提升锂金属电池安全性和能量密度的有效途径之一。受神经元结构及其高效信号传输、处理与存储方式启发，通过甲基三氯硅烷在蒙脱石表面可控水解缩合，合成了类神经元结构的超疏水有机硅纳米线@蒙脱石纳米填料（图2），构建了可适用于宽温域锂金属电池的PEO基复合固态电解质。相比已报道的纳米填料，该超疏水填料具有以下优势，能在复合固态电解质中不同方向上形成长程连续的离子通道；更易与锂盐、聚合物发生Lewis酸-碱相互作用，促进锂盐解离，增加自由锂离子数；复杂的分支结构可最大限度增强纳米填料的补强效果。相关成果以“Neuron-Like Silicone Nanofilaments@Montmorillonite Nanofillers of PEO-Based Solid-State Electrolytes for Lithium Metal Batteries with Wide Operation Temperature”为题，发表在Angew Chem Int Ed（2024,64,e202400091）上，该论文第一作者为博士研究生王万凯，通讯作者为杨燕飞副研究员和张俊平研究员。
图2. 类神经元结构纳米填料的设计制备
上述工作得到了国家自然科学基金、甘肃省自然科学基金等项目的支持。
