【mxene电池】提升锂电安全性？向隔膜中加一点MXene！

研究摘要

无枝晶锂离子电池（LIBs）通常可以通过在锂负极上构筑人工SEI层来实现，但往往实验条件非常严苛，不利于批量生产。设计具有锂沉积可控性的多功能隔膜可以有效解决上述问题。鉴于此，香港城市大学支春义教授研究团队在《Nano Energy》发表最新成果，报道了一种基于MXene修饰的隔膜，对MXene在控制锂金属沉积形貌方面的重要作用、以及由于锂枝晶的不均匀生长所导致的内部短路现象的抑制进行系统研究。同时，基于羟基磷灰石（HAP）填充的PVHF在经过MXene的修饰后（M-HAP@PVHF），表现出比传统的PP隔膜在相同测试条件下更杰出的安全性能。本文所报道的M-HAP@PVHF隔膜有助于LIBs电池工作的安全性能，进一步提升其稳定性。基于M-HAP@PVHF隔膜所组装的对称式电池可以稳定工作700小时，由于含有LiF稳定的SEI层的形成，实现了均匀的锂沉积与超低的过电势。Li/M-HAP@PVHF/LiCoO2全电池能够稳定工作150次充放电循环，并且库伦效率与容量保持率始终保持在较高的水平。

图文导读

图1. M-HAP@PVHF隔膜的制备过程示意图。

图2. HAP@PVHF与M-HAP@PVHF隔膜的表面形貌与XRD、红外、热重与BET表征结果。

图3. 不同隔膜的应力-应变曲线、实物图、接触角与阻燃测试。

图4. PP与M-HAP@PVHF隔膜的Li对称电池的电化学性能测试与100小时之后隔膜的界面SEM图像。

图5. 基于PP与M-HAP@PVHF隔膜的非原位XPS、不同位点锂离子的吸附能与DOS。

图6. 基于PP, M-HAP@PVHF所组装的全电池的电化学性能。（LiCoO2/Li）

总结

      大多数有关锂枝晶调控的研究都聚焦于锂负极的改性，但实际上隔膜修饰是控制锂离子沉积并抑制枝晶生长更有效的方式，在实际操作过程中不会受到严苛的实验条件限制。本文设计了一种双功能的隔膜，具有优异的阻燃性与锂沉积可控性。具有合适柔性与机械强度的PVHF作为聚合物骨架，HAP网络作为阻燃添加剂，而具有高度亲锂性的2D MXene纳米片则作为锂枝晶生长的“控制中心”。SEM、非原位XPS与DFT计算证明SEI层主要成分为LiF，得益于MXene表面F基官能团本征的亲锂性，这种LiF紧密且具有均匀的形貌。锂金属负极上均匀的SEI层能够诱导相当低的锂沉积过电势，从而加速锂离子的电镀/剥离过程。能够在燃烧条件下保持20s后不发生明显的体积坍塌。优异的全电池性能优于商业化隔膜，为高安全性锂金属电池的发展开启了新的方向。

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