【引言】

本文通過靜電紡絲工藝制造含有金屬有機(jī)骨架（MOF）顆粒和聚乙烯醇的新型復(fù)合隔膜。含有金屬活性中心的MOF顆粒可以自發(fā)地吸附陰離子，同時允許鋰離子在電解質(zhì)中有效傳輸，從而顯著改善鋰離子遷移數(shù)tLi+（高達(dá)0.79）和鋰離子電導(dǎo)率。同時，多孔的復(fù)合隔膜減少了電解質(zhì)的分解，從動力學(xué)上加快了電極反應(yīng)，并降低了電解質(zhì)和電極之間的界面電阻。在傳統(tǒng)鋰離子電池中應(yīng)用這種復(fù)合隔膜可顯著提高倍率性能和循環(huán)壽命，為高性能鋰離子電池提供了新的前景。

【成果簡介】

鋰離子電池中的隔膜被用作電解質(zhì)的儲存器，具有控制離子傳輸?shù)淖饔貌@著影響著電池性能。聚合物隔膜（聚丙烯（PP）或聚乙烯（PE）），因具有優(yōu)異的電化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械性能，通常被用作鋰離子電池的隔膜。已有大量研究工作致力于提供具有各種功能的隔膜，使其可以抑制鋰枝晶增長，減輕多硫化物的分解，或改善隔膜的熱穩(wěn)定性。例如，含有親水聚合物或有序納米級結(jié)構(gòu)的隔膜可被用于改善電解質(zhì)吸附性并減少枝晶的形成。石墨烯和金屬氧化物也被涂在隔膜上用于減輕了多硫化物在鋰-硫電池中的穿梭效應(yīng)。諸如羥基磷灰石和聚酰亞胺等耐火材料也被用于解決可燃性問題。諸如SiO2，Al2O3和ZrO2的陶瓷顆粒也被摻入聚烯烴隔膜中，用于改善電解質(zhì)的潤濕性和隔膜的熱穩(wěn)定性以及機(jī)械性能。然而，這種功能化隔膜仍然缺乏調(diào)控離子傳輸過程的能力，仍表現(xiàn)出較低的的tLi+。盡管有部分報道例如磺化共聚物與隔膜結(jié)合用以改善tLi+，但是這種隔膜通常受隔膜中低鋰離子濃度的限制，從而表現(xiàn)出較低的鋰離子傳導(dǎo)性。

近日，上海電力大學(xué)的彭怡婷和加利福尼亞大學(xué)的盧云峰教授（共同通訊）在Adv.Mater.上發(fā)表了一篇題為“Anion‐SorbentCompositeSeparatorsforHigh‐RateLithium‐IonBatteries”的文章。在這項(xiàng)工作中，MOF作為一種新型功能組件通過靜電紡絲引入聚合物分離器中。他們最近發(fā)表了一系列基于MOF的固體電解質(zhì)和液體電解質(zhì)，其中MOF中的金屬活性中心（OMS）可以與溶劑填充的孔道中的陰離子絡(luò)合，釋放Li+并提供高Li+電導(dǎo)率。與具有低表面積陶瓷顆粒的陶瓷涂層隔膜或具有低Li+導(dǎo)電性的聚合物材料不同，MOF結(jié)合的隔膜提供高表面積和豐富的OMS，可提供快速有效的鋰離子傳輸。此外，使用這種含MOF的隔膜有助于抑制電解質(zhì)的分解，從而改善循環(huán)耐久性。

【圖文導(dǎo)讀】

a）示意圖，顯示通過靜電紡絲MOF顆粒和PVA的混合物制備靜電紡絲MOF-polymer復(fù)合膜（EMP）；

b，c）示意圖，顯示用于吸附陰離子和促進(jìn)鋰離子傳輸?shù)墓δ苄訣MP。

圖2EMP的結(jié)構(gòu)特征

a）EMP的N2吸附/解吸等溫線。插圖顯示了DFT孔徑分布；

b）MOF顆粒，電紡PVA膜（EP）和EMP的XRD圖案；

c）MOF顆粒，EP和EMP的FTIR光譜；

d-f）SEM圖像：d）MOF顆粒，e）EP和f）EMP；

g）通過x射線光電子能譜繪制的EMP中Zr元素的分布；

h）EMP的TEM圖像。

圖3PP和EMP的電化學(xué)表征

a）在不同溫度下的離子電導(dǎo)率和從Arrhenius方程的線性擬合獲得的活化能；

b）比較Li+遷移數(shù)和離子電導(dǎo)率；

c，d）SS|電解質(zhì)|Li電池的循環(huán)伏安曲線，其中：c）LP-PP和LP-EMP，和d）LC-PP和LC-EMP，掃描速率為1mVs-1。

圖4電解質(zhì)-電極界面的研究

a）Li|LP-PP|Li電池和Li|LP-EMP|Li電池在5mAcm-2下的恒電流循環(huán)；

b）顯示最后五個循環(huán)的相應(yīng)放大圖；

c）循環(huán)Li|LP-PP|Li和Li|LP-EMP|Li電池的奈奎斯特圖（200次循環(huán)后）

d）200次循環(huán)后從Li|LP-PP|Li和Li|LP-EMP|Li電池收獲的XPS的F1s光譜和循環(huán)Li的去卷積峰；

e-h）來自以下的循環(huán)Li電極的SEM圖像：e，f）Li|LP-PP|Li和g，h）Li|LP-EMP|Li電池。

圖5不同電解質(zhì)電池的電化學(xué)性能

a，b）使用LP電解質(zhì)的NCM|石墨電池的電化學(xué)性能：a）在1,0.2,0.5,1和2C下的倍率性能;b）在1C下進(jìn)行恒電流循環(huán)（最初的5個循環(huán)，0.2C）。

c，d）使用LC電解質(zhì)的LFP|LTO電池的電化學(xué)性能：c）在1,0.2,0.5,1和2C下的倍率性能;d）在1C下的恒電流循環(huán)（在0.2C下的最初十個循環(huán)）。

【小結(jié)】

研究人員證明了使用靜電紡絲技術(shù)制造嵌入MOF顆粒作為有效陰離子吸附劑的復(fù)合材料隔膜。電解質(zhì)中的陰離子與MOF顆粒的OMS的絡(luò)合改善了tLi+和Li+電導(dǎo)率。同時，多孔的復(fù)合隔膜減少了電解質(zhì)的分解并促進(jìn)了電極表面的動力學(xué)反應(yīng)，在電解質(zhì)和電極之間產(chǎn)生了更穩(wěn)定的界面。這種復(fù)合隔膜的應(yīng)用可以顯著改善電池性能并延長電池的循環(huán)壽命，從而為設(shè)計(jì)下一代的鋰離子電池提供新的策略。