东华大学廖耀祖/吕伟课题组AEM: 快充和热安全锂金属电池用共价有机框架纳米纤维隔膜
东华大学廖耀祖/吕伟课题组AEM: 快充和热安全锂金属电池用共价有机框架纳米纤维隔膜
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电动汽车和便携式电子设备的发展对电池在高能量密度、快速充电和安全方面提出了更高的要求。锂金属电池由于其高理论比容量（3860 mAh g
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）和低电化学还原电位的优点，被认为是有前途的替代品之一。然而，在快充高电流密度下，锂离子传输动力学缓慢，导致电解质与阳极界面之间存在不均匀的锂沉积和副反应等问题，严重制约了锂金属电池的稳定快充和安全性能。
针对这些问题，廖耀祖/吕伟课题组提出了一种通过构建分级多孔功能隔膜来高效调控锂离子传输动力学的新策略，同时实现了锂离子快速、均匀、选择性迁移。作者通过静电纺丝和溶剂热方法合成了酰胺键合的共价有机框架纳米纤维膜（PAN/AM-COF），实现了锂离子输运用分级连接孔通道的构筑。其中亲锂性微孔通道的设计有效保证了锂离子选择性传输，分级连接孔通道则赋予了高离子电导率和均匀传输，同时实现了高锂离子迁移数t
Li+
（0.79）和高离子电导率σ（3.33 mS cm
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）。因此，PAN/AM-COF隔膜可有效稳定阳极、抑制锂枝晶的形成。借助商业化磷酸铁锂（LFP）组装了Li||PAN/AM-COF||LFP电池，在10 C下进行1000次循环后，比容量仍保持在72 mAh g
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1
，容量衰减每次循环低至0.037%。此外，结合其优异的热稳定性，其可在30 C的超高电流密度和100 °C的极端温度下安全循环300次。证明了其在极端炎热的气候下，也能实现快速安全充电。这项工作为设计快充而安全的锂金属电池用隔膜提供了一种新的构筑策略，同时拓宽了多孔聚合物在高温快速安全储能领域的应用。
图1 PAN/AM-COF分级多孔隔膜中离子传输路径的示意图，及分级多孔隔膜制备流程和形貌表征。
图2 PAN/AM-COF分级多孔隔膜化学结构、润湿性和热稳定性表征。
图3 PAN/AM-COF分级多孔隔膜离子传输性能表征和仿真计算验证