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华南理工大学刘军教授课题组 AFM：双功能阳离子共价有机材料材料修饰的锂金属电池隔膜

时间：2023-02-08 来源：浏览：

华南理工大学刘军教授课题组 AFM：双功能阳离子共价有机材料材料修饰的锂金属电池隔膜

原创化学与材料科学化学与材料科学

化学与材料科学

微信号 Chem-MSE

功能介绍聚集海内外化学化工、材料科学与工程、生物医学工程领域最新科学前沿动态，与相关机构共同合作，发布实用科研成果，结合政策、资本、商业模式、市场和需求、价值评估等诸要素，构建其科技产业化协同创新平台，服务国家管理机构、科研工作者、企业决策层。

收录于合集

#阳离子共价有机框架材料 2 个

#隔膜改性 3 个

#溶剂化结构调控 2 个

#固态电解质界面 2 个

#锂金属电池 18 个

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隔膜是锂金属电池的重要组成部分，起着隔离正负极并为 Li ⁺ 提供传输通道的作用，因此其强度、孔隙率、热稳定性以及电解液润湿性等参数对电池性能有着显著影响。很遗憾，现阶段商用的 Celgard 系列隔膜的虽然具备足够的强度和稳定性，但对电极液的润湿性和热稳定性远不足以满足目前所需。

近日，华南理工大学材料科学与工程学院刘军教授课题组在《 Advanced Functional Materials 》期刊上发表了题为： A Dual−Functional Cationic Covalent Organic Frameworks Modified Separator for High Energy Lithium Metal Batteries 的文章 (DOI: 10.1002/adfm.202212466) 。该课题组利用简单的刮刀涂布法在商用 Celgard 2400 隔膜表面构建了由带正电的有机单元和弱键合的 F ⁻ 组成的阳离子共价有机框架涂层 (COF−F@PP) 。其中，有机单元具有丰富的纳米孔以使 Li ⁺ 通量均匀化，加速 Li ⁺ 迁移，提高电解液润湿性；弱键合的 F ⁻ 被证明参与了锂负极表面富 LiF−SEI 的形成，减弱了阳极和电解液之间的副反应，并抑制锂枝晶生长。同时， FT−IR 表征和 DFT 计算结果表明，带正电的 COF 有机单元能够锚定电解液中的溶剂分子，从而简化 Li ⁺ 溶剂化结构，降低 Li ⁺ 迁移能垒。因此，使用 COF−F@PP 组装的扣式 Li//LFP 电池在 1 C 和 5 C 的测试条件下分别能够稳定循环超过 450 和 2000 次，并表现出较高的容量保持率和库伦效率。更引人注目的是，低 N/P 比的 Li//LFP 全电池和软包电池也具有优异的循环稳定性。

图 1. COF−F@PP 隔膜 ( 左 ) 和 Celgard 2400 隔膜 ( 右 ) 作用示意图。

图 2. a) COF − Cl 的合成示意图； b) COF − Cl 和 COF − F 的 PXRD 图谱； c) Dha 、 TG _Cl 、 COF − Cl 和 COF − F 粉末的 FT − IR 光谱； d) COF − Cl 和 COF − F 粉末的微孔尺寸分布和 e) N ₂ 吸附 − 解吸曲线； f) COF − F@PP 隔膜的表面和 g) 截面 SEM 图像。

图 3. a) 离子电导率和 Li ⁺ 转移数。 b) Li ⁺ 扩散通过 SEI(E _sei ) 和 c) Li ⁺ 在阳极 / 电解质界面脱溶 (E _ct ) 的活化能。 d) Li//Li 对称电池在 1 mA cm ^−
2 和 1mAh cm ^−
2 下的循环性能，插图为不同循环时间下的放大图。 e) Li//Li 对称电池的 Tafel 曲线。 f) 1 mA cm ^−
2 和 1mAh cm ^−
2 下 Li//Cu 半电池的 CE 。 g) Li//Cu 半电池的长期沉积性能。 h) 原始 PP 和 i) COF − F@PP 的 Li//Li 对称电池 20 个循环后的阳极的 SEM 图像，插图是光学图像。 j) 原始 PP 和 k) COF − F@PP 的 Li//Cu 半电池中锂的沉积形态的 SEM 图像。

图 4. a, b) DEC( 虚线 ) 、 DEC 中的 1 M LiPF ₆ ( 绿线 ) 、 COF( 灰线 ) 和限制在 COF 孔隙内 DEC( 红线 ) 的 ATR − FTIR 光谱。 c) 600 − 2100 cm ^−
1 和 d) 1680 − 1860cm ^−
1 的电解液和限制在 COFs 孔内的电解质的 ATR − FTIR 光谱。 e) 通过 DFT 方法计算的 COF − EC 、 COF − DEC 、 Li ⁺ − EC 、 Li ⁺ − DEC 的吸附能。具有不同隔膜的 Li//Li 对称电池中， 20 个循环后 Li 阳极的 f) F 1s 和 g) Li 1s 的 XPS 光谱。 h) 不同隔膜的 Li 1s 光谱中各种成分的面积比。