鋰金屬由于具有極高的理論比容量（3860 mah g-1）和極低的電化學(xué)電勢(-3.04v vs.she)，是下一代高比能鋰電池的理想負極材料。然而，高活性鋰金屬所帶來的枝晶生長問題嚴重阻礙了其應(yīng)用進程。隔膜表面改性策略由于具有低成本、可替代性強的優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于抑制鋰金屬電池內(nèi)枝晶生長的研究。然而，在其研究及實際應(yīng)用過程中仍存在兩個關(guān)鍵問題：功能層通常為不導(dǎo)鋰的非活性材料，阻礙鋰離子的快速傳輸，不能從根源上抑制鋰枝晶形核；陶瓷顆粒與有機體系不兼容，容易引發(fā)漿料凝膠化現(xiàn)象，惡化加工性能。因此，目前亟需開發(fā)出一種兼具優(yōu)化鋰沉積行為和優(yōu)異加工性能的鋰金屬電池用功能化隔膜。基于上述問題，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所研究員張濤團隊通過石榴石型固態(tài)電解質(zhì)li6.4la3zr1.4ta0.6o12（llzto）與聚丙烯腈（pan）強極性腈基基團（-cn）之間的配位作用構(gòu)建了穩(wěn)固的llztopan包覆結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，利用該功能性材料構(gòu)筑出水基漿料涂覆的表面強極性隔膜。一方面，pan的空間位阻效應(yīng)有效改善了llzto在水中的分散性；另一方面，llztopan賦予隔膜表面強極性和高離子電導(dǎo)率，有效均勻鋰沉積，實現(xiàn)鋰金屬電池在2c下穩(wěn)定循環(huán)1000次，容量保持81%。該成果以astrong-surface-polarityseparatorenablesdendrite-freelithiummetalanodesviacoordinatedgarnetelectrolyte為題發(fā)表在《化學(xué)工程雜志》（chemicalengineeringjournal）上。

該研究首先選用高離子電導(dǎo)率的llzto作為活性材料，并通過llzto中l(wèi)a與-cn之間的強配位作用在llzto顆粒表面緊密鍵合pan包覆層，最終構(gòu)筑出具有高離子電導(dǎo)率的表面強極性隔膜（7×10-4s cm-1）。同時，以水作為溶劑有效避免了llzto和有機體系不兼容的問題。llzto和pan的強配位作用增強了陶瓷基體和聚合物之間的結(jié)合力，隔膜的熱穩(wěn)定性、機械性能等熱物性能得到明顯改善。研究進一步探究功能層抑制鋰枝晶的作用機理，闡明功能化隔膜與調(diào)控鋰沉積行為之間構(gòu)效關(guān)系。與原始聚丙烯隔膜和llzto改性隔膜相比，llztopan功能層中強極性的腈基基團能夠有效錨定電解液中的鋰鹽陰離子，實現(xiàn)高li+遷移數(shù)（0.68），進而降低鋰負極處的局部高陰離子濃度，從根源上避免空間電荷層的形成。循環(huán)后對鋰負極的xps等測試結(jié)果表明，pan與鋰負極之間原位形成了穩(wěn)固的快離子傳輸sei層（li3n），進一步調(diào)控了li+在電解液/鋰負極界面處的傳輸。此外，由于-cn與電解液之間“相似相溶”，隔膜對電解液浸潤性大幅改善，并且高li+電導(dǎo)率的llzto均勻了鋰通量，促進li+在隔膜處的快速均勻輸運。在上述三重協(xié)同作用下，li+的傳輸動力學(xué)得到了優(yōu)化，顯著抑制了鋰枝晶的生長，使用該功能化隔膜組裝的對稱電池在2 ma cm-2的電流密度下能夠穩(wěn)定沉積/剝離超2000h。相較于商用聚烯烴隔膜，所組裝的鋰金屬電池具有更加優(yōu)越的電化學(xué)性能。

該項工作闡明了固態(tài)電解質(zhì)功能化隔膜與鋰沉積行為之間的構(gòu)效關(guān)系，同時，構(gòu)筑水基漿料涂覆的功能化隔膜也為實現(xiàn)長壽命、高安全的高比能鋰金屬電池提供了新的發(fā)展思路。

相關(guān)研究工作得到國家高層次人才特殊支持計劃、科學(xué)技術(shù)部和國家自然科學(xué)基金等項目的資助。

llzto pan功能化隔膜抑制鋰枝晶示意圖

llzto pan表征與水分散性

llzto pan功能化隔膜物化性能

循環(huán)后負極形貌對比及調(diào)控鋰沉積示意圖

鋰金屬電池循環(huán)性能