东华大学朱美芳院士/徐桂银团队《自然·通讯》：锂/钠电池高介电常数纤维隔膜

摘要：碱金属电池具有高理论比容量和低还原电位的特点，是非常有前途的下一代储能系统。然而，金属负极上不稳定的固体电解质界面（SEI）和枝晶的旺盛生长对碱金属电池的实际应用构成了重大挑战。隔膜直接与负极和电解质等关键组件接触，并有可能应对这些挑战。以前的研究主要集中在调

碱金属电池具有高理论比容量和低还原电位的特点，是非常有前途的下一代储能系统。然而，金属负极上不稳定的固体电解质界面（SEI）和枝晶的旺盛生长对碱金属电池的实际应用构成了重大挑战。隔膜直接与负极和电解质等关键组件接触，并有可能应对这些挑战。以前的研究主要集中在调节隔膜和电解质成分（碱金属离子、溶剂分子和阴离子）之间的静电相互作用、范德华力和偶极-偶极相互作用上。然而，它们的电特性一直被忽视。在碱金属电池放电过程中，内部电场超过1×105 V/m。这样的电场强度足以影响隔膜-负极界面以及隔膜和电解质之间的相互作用。这种忽视导致对隔膜-负极界面以及隔膜和电解质之间相互作用的描述不准确。

近日，东华大学朱美芳院士/徐桂银教授团队提出了一种由磷酸化纤维素组成的高介电常数纤维隔膜。引入介电常数作为描述符，探讨了具有不同介电常数的纤维隔膜在电场下的响应行为，研究了在均匀内电场前提下，高介电常数隔膜对碱金属电池负极表面的影响。在内部电场下，高介电常数隔膜内的强烈电子位移极化增强了电荷转移动力学并优化了溶剂化结构，这也诱导形成了富含LiF和低聚物的固体电解质界面。此外，高介电常数隔膜可调节电场密度分布并减轻金属电极中的尖端效应。高介电常数隔膜的应用，使得碱金属电池表现出优异的电化学性能和循环稳定性。该工作主要采用湿法成型工艺，并使用生物材料作为原材料，可以实现高介电常数纤维隔膜的大规模生产。

图1 ：高介电常数隔膜的设计。

图2 ：PCS对金属负极中Li沉积的影响。

图3 ：SEI化学成分分析。

图4：PCS的电化学性能。

相关成果以“Electron displacement polarization of high-dielectric constant fiber separators enhances interface stability”为题发表在Nature Communications期刊上。东华大学为第一单位，材料学院博士生张陶为论文第一作者，通讯作者为东华大学材料学院朱美芳院士和徐桂银教授。该研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、上海市科委国际合作基金和上海市启明星计划的支持。

结论：通过电池内部电场与高介电常数隔膜的协调，提出了一种促进隔膜-负极界面反应以构建稳定碱金属电池的策略。证明了高介电常数隔膜在促进电场密度的规则分布方面具有关键作用。此外，高介电常数PCS在电场下发生强烈的电子转移，促进了LiF的产生并降低了SEI中Li的转移能垒。得益于电场驱动的电子位移极化，高介电常数隔膜与碱金属离子之间的相互作用得到增强，优化了碱金属离子的溶剂化结构和动力学，从而减轻了有机溶剂分子在SEI中的反应。与使用商用PP或GF隔膜的电池相比，使用高介电常数隔膜，锂、钠金属电池都表现出更好的循环稳定性。这对于阐明电池复杂环境中隔膜-负极界面的反应具有重要意义。此外，这种简单的高介电常数隔膜设计策略在碱金属电池中具有广泛的应用潜力。