基於MOFs的自支撐鋰硫電池隔膜用來抑制多硫聚物穿梭和鋰枝晶生長

【研究背景】

因其較高的理論能量密度（2600 Wh kg-1）、良好的環境兼容性以及低廉的成本，鋰硫電池被認為是最具潛力的下一代儲能體系。但是，循環過程中的多硫聚物溶解、穿梭以及鋰負極枝晶生長等問題嚴重影響了鋰硫電池的循環穩定性以及安全性。減少硫正極多硫聚物的溶出以及抑制鋰負極的枝晶生長已成為當今電化學儲能領域的熱點話題。在所報導的研究中，一些功能化的隔膜具備調控電池中離子傳輸的能力，因而有望用來同時改善鋰硫電池的正、負極性能。

【工作介紹】

近日，北京大學深圳研究生院的潘鋒教授課題組和香港理工大學的費賓副教授課題組合作，基於MOFs材料UiO-66-SO3Li製備了混合基質膜（MMMs）用來改善鋰硫電池的電化學性能。所採用的MOFs具備合適尺寸（Small Methods上。香港理工大學王子奇博士和北京大學深圳研究生院博士生黃偉源為本文共同第一作者。

【內容表述】

一、結構形貌表徵

首先對MOFs隔膜進行了結構和形貌的表徵，並進行電解液接觸角測試和熱穩定性測試，如圖1所示。研究發現，隔膜內MOFs晶體顆粒緊密排列，空隙處由PVDF粘結劑填充，隔膜整體表現出很好的柔韌性。其與電解液接觸角約為6°，遠小於商用隔膜。另外，其熱穩定性極佳，400℃加熱也未捲曲收縮，在高溫下亦可防止正、負極接觸短路。

圖1. a) MOFs隔膜的XRD。b)MOFs的SEM形貌。c)接觸角測試。d) MOFs隔膜照片。e) MOFs隔膜斷面SEM形貌。f) 熱穩定性測試。

二、與鋰負極的匹配性研究

利用鋰對稱電池和鋰銅電池表徵了MOFs隔膜與鋰負極的良好匹配性，如圖二所示。採用MOFs隔膜後，鋰對稱電池的沉積/剝離曲線具有更小的過電勢、界面阻抗更低、鋰沉積形貌更加均勻；鋰銅電池則展現出更高的庫倫效率。這些測試表明，得益於內部規則的陰離子孔道，MOFs隔膜能夠有效地引導鋰均勻沉積。

圖2. 採用MOFs隔膜和商用隔膜的鋰對稱電池的a)循環曲線，c, d)循環前後阻抗變化和循環後鋰負極形貌。鋰銅電池的b)沉積/剝離曲線和e)庫倫效率以及h, i)鋰沉積形貌。

三、對多硫聚物穿梭的抑制

採用H型連通器可視化表徵了MOFs隔膜具備阻隔多硫聚物穿梭的能力，並通過XPS表徵隔膜多硫聚物的殘留進一步證明該結論，如圖3所示。

圖3. a) H型連通器可視化對比商用隔膜和MOFs隔膜對多硫聚物的阻隔能力。b, c) 雙層隔膜電池的S元素XPS表徵。

四、鋰硫電池性能

對比研究了MOFs隔膜與商用隔膜下鋰硫電池的循環性能，如圖4所示。鋰硫電池正極採用硫與多孔碳的複合材料。研究發現，MOFs隔膜可將更多的多硫聚物阻隔在正極、提升了硫正極的利用率，並有助於硫正極的氧化還原。MOFs隔膜使電池的循環穩定性與倍率性能均得到了較大的提升。

圖4. 採用MOFs隔膜和商用隔膜的鋰硫電池的a, b)循環伏安曲線，c)倍率性能，d)充放電曲線以及e)長循環性能。

【結論】

利用陰離子框架MOFs製備了混合基質膜用於鋰硫電池隔膜。得益於其內部有序排列的陰離子孔道對多硫聚物的靜電排斥、阻隔作用以及對鋰離子均勻沉積的引導作用，鋰硫電池中的多硫聚物穿梭以及枝晶生長問題得到緩解，電池的電化學性能顯著提升。

Ziqi Wang, Weiyuan Huang, Jiachuan Hua, Yidi Wang, Haocong Yi, Wenguang Zhao, Qinghe Zhao, Hao Jia, Bin Fei, Feng Pan, An Anionic‐MOF‐Based Bi functional Separator for Regulating Lithium Deposition and Suppressing Polysulfides Shuttle in Li–S Batteries,Small Methods, 2020, DOI:10.1002/smtd.202000082

作者簡介：

費賓副教授課題組簡介：費賓副教授、博士生導師，目前任職於香港理工大學紡織及服裝學系，課題組聚焦於柔性儲能材料及光電催化、先進纖維紡制與織物構造、生物高分子及仿生納米工程等領域。課題組歡迎對相關領域感興趣的博士研究生和博士後加入。