刘瑞平教授 Small:蛋黄核-壳结构的 ST@Al2O3 改性功能性 PE隔膜提升...
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发布时间：2024-10-24 03:41
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时间：2024-10-31 22:26
刘瑞平教授及其团队在国际著名期刊《Small》上发表了一项关于提升锂金属电池性能的研究成果。文章题为“Yolk–Shell Structured ST@Al2O3 Enables Functional PE Separator with Enhanced Lewis Acid Sites for High-Performance Lithium Metal Batteries”。研究团队通过表面工程制备了一种功能性聚乙烯(PE)隔膜，这种隔膜在PE隔膜的一侧制备了一层具有强路易斯酸性质和均匀多孔结构的Ti掺杂SiO2@Al2O3颗粒(表示为ST@Al2O3-PE)。
ST@Al2O3颗粒具有丰富的孔隙结构和大的空腔，可以储存大量的电解质，为锂离子的传输提供了缩短的途径。其Lewis酸位点和多孔结构可以调节锂的镀/剥离行为，稳定锂金属负极。该隔膜表现出较好的离子电导率和大的锂离子转移数。在电流密度为1 mA cm−2时，使用ST@Al2O3-PE隔膜的锂/锂对称电池可稳定循环400 h以上。该研究为开发锂金属电池用功能性隔膜提供了新思路。
在研究中，刘瑞平教授课题组通过水热处理后将葡萄糖包覆在Al2O3颗粒表面形成了一层薄薄的碳层，然后将正硅酸四乙酯(TEOS)和钛酸四丁酯(TBT)在水热条件下水解在碳层表面原位形成掺杂钛的二氧化硅纳米颗粒。煅烧后，成功制备了蛋黄壳结构的ST@Al2O3。原始氧化铝为规则的球形，表面光滑，粒径在300 nm左右。通过TEM图像进一步说明了颗粒的蛋黄壳结构，由TEOS和TBT水解产生的Si和Ti元素集中在颗粒的外层，形成了Si─O─Ti网络。
在去除Al2O3表面的中间碳层后，暴露出多位点吸附的多孔结构，有效地增加了ST@Al2O3的比表面积。FT-IR测试在ST@Al2O3的FT-IR光谱中也观察到─OH和Si─O─Si的弯曲振动峰，而在955.16 cm−1处出现了一个新的特征峰，表明Ti元素成功进入SiO2结构。通过X射线光电子能谱(XPS)分析，材料的元素组成和化学键得到了进一步的确认。研究表明，电子密度从Ti原子通过中间的O原子转移到Si原子，这证实了界面处Ti─O─Si键的形成。
研究团队通过SEM对原始PE隔膜、S@Al2O3-PE隔膜和ST@Al2O3-PE隔膜的形貌进行了表征。原始PE隔膜表面具有丰富孔隙通道的纤维结构，可以存储大量电解质，从而导锂离子。涂覆后，Al2O3颗粒和ST@Al2O3颗粒均匀地覆盖在PE隔膜表面，纳米颗粒没有大量聚集，而涂层表面仍保留着大量的孔隙。隔膜对电解液的亲和力直接影响电池的电化学性能。原始PE隔膜与电解液的接触角≈51°，而ST@Al2O3-PE隔膜的接触角减小到16°。ST@Al2O3颗粒可以储存电解质，降低接触角，提高隔膜对电解液的亲和力，加速锂离子的运输，最终提高锂金属电池的电化学性能。
实验结果表明，改性隔膜的高离子电导率可以有效降低电池内部的极化，有利于锂金属负极的稳定剥离和沉积。多孔球形结构涂层提高了隔膜的接触角和电解质吸收率，使锂离子在隔膜内的传输更加顺畅。此外，ST@Al2O3的强Lewis酸可以吸附电解质中的PF6−，促进离子的传导，有效抑制枝晶生长，实现电池长循环的稳定性。在不同正极材料下，装配有改性隔膜的电池显示了高比容量和良好的容量保持率，表现出良好的倍率性能。
研究中，ST@Al2O3颗粒的蛋黄核壳结构可以吸收更多的电解质，提高电池的电化学性能。Al2O3吸附电解质中的阴离子，增加了电池通道内自由移动的锂离子的数量，高锂离子迁移数减缓了锂枝晶的生长，提高了锂离子电池的循环寿命和安全性。功能性ST@Al2O3-PE隔膜通过改善锂离子输运和镀锂行为，实现了锂离子快速迁移与均匀的锂通量，增强了电化学动力学，抑制了Li枝晶的生长，最终助力高性能锂电池电化学性能的提升。
