华中科技大学胡先罗教授： Janus 隔膜，用于稳定的锂金属阳极

文献导读：

锂金属电池(LMB)具有超高的理论能量密度，被认为是最有前途的高密度储能设备。然而，锂枝晶失控和安全性问题严重阻碍了LMB的广泛应用。隔膜是确保电池安全的重要组成部分，防止阴极和阳极之间的直接电接触，同时允许离子传输。基于此，华中科技大学胡先罗教授制备了一种 Janus 隔膜，用于稳定的锂金属阳极。相关研究内容以“Designing Janus separators reinforced by hydrogen/ionic bonds for stable lithium metal anodes”为题目，发表于期刊《Chemical Engineering Journal》上。

本文要点：

1、该研究报告了一种 Janus 隔膜，其一侧具有碳纳米管导电导热层，另一侧具有固-固相变层。同时，引入氢/离子键以增强隔膜的内部结构连接性，从而显着提高机械强度。

2、Janus 隔膜的导电和导热层通过消除局部电流密度和热点来调节锂沉积，从而减轻锂枝晶的生长。当锂枝晶不可避免地刺穿隔膜造成短路时，固固相变层可以起到安全补偿的作用，通过固固相变吸收热量，缓解短路引起的温升。

3、Janus隔膜能够有效抑制锂枝晶，缓解短路时电池的温升。更重要的是，Janus 隔膜表现出优于商用聚烯烃隔膜的电化学性能。

Janus隔膜是如何抑制锂枝晶生长的?

1、电学和热学导电层：Janus隔膜的一侧具有由碳纳米管（CNTs）构成的电学和热学导电层。该层通过消除局部电流密度和热点来调节锂的沉积，从而减轻锂枝晶的生长。

2、引入氢键/离子键：隔膜通过氢键/离子键的加固，增强了隔膜的内部结构连接性，显著提高了其机械强度和柔韧性。

这些结合特性有效地抑制了锂枝晶的生长，有助于锂金属电池的安全性和稳定性。

固-固相变层在Janus隔膜中的作用是什么?

Janus隔膜中的固-固相变层起到温度调节和安全补偿的作用。当锂枝晶不可避免地刺穿隔膜造成短路时，固固相变层可以起到安全补偿的作用。它通过固-固相变吸收热量，减轻了短路引起的温升。这种相变过程有助于缓解温度的突然升高，防止热失控，从而提高锂金属电池的安全性。

 图1 抑制锂枝晶和固固相变热调节Janus分离器的制备工艺及机理。

 图2 Janus隔膜的形貌和微观结构。

 图3 Janus隔膜的物理化学性质。

 图4 Janus隔膜的热性能。

 图5 电化学性能测试。

 图6 Janus隔膜对电池的保护性能。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.147559