與目前的鋰離子電池相比，鋰金屬電池有望實(shí)現(xiàn)兩倍的單次充電儲能量。然而，在目前的鋰金屬電池技術(shù)中，鋰枝晶生長和電解質(zhì)消耗使電池性能受到影響。采用固態(tài)聚合物電解質(zhì)（SPE）基質(zhì)，有望解決這些問題。但在將SPE整合至全固態(tài)鋰金屬電池（ASSLMB）系統(tǒng)前，需要對其進(jìn)行優(yōu)化。

（圖片來源：sciencedirect）

據(jù)外媒報(bào)道，信州大學(xué)（Shinshu University）、東京大學(xué)（Kyoto University）和成均館大學(xué)（Sungkyunkwan University）的研究人員利用機(jī)械壓制法，開發(fā)了一種雙層無紡布聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）微纖維/聚偏二氟乙烯（PVDF）納米纖維膜，以用作鋰離子電池中的隔膜，防止電極之間發(fā)生短路。

該隔膜表現(xiàn)出改良的潤濕性（wettability），即含鋰離子的電解液與電極接觸的能力，并改善了電池系統(tǒng)的熱穩(wěn)定性。重要的是，這種雙層膜也可用于LMB系統(tǒng)的SPE中，以防止枝晶生長和結(jié)構(gòu)退化。

在目前的研究中，該團(tuán)隊(duì)利用靜電紡絲法制備類似的雙層無紡布PET/PVDF（nPPV）基質(zhì)，以防止兩層之間形成褶皺和空隙，從而縮短PVDF層的壽命。該研究對nPPV增強(qiáng)固態(tài)聚合物電解質(zhì)（nPPV-SPE）的力學(xué)、熱學(xué)和電化學(xué)性能進(jìn)行了表征。測試證實(shí)，該基質(zhì)大幅改善了ASSLMB系統(tǒng)的性能。

研究人員Ick Soo Kim表示：“由于機(jī)械和熱性能不佳，SPE的循環(huán)性能（充放電循環(huán)）較差。該項(xiàng)目專注于通過由一層PET無紡布和一層PVDF納米纖維組成的雙層基質(zhì)來增強(qiáng)SPE，以提高SPE的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，從而提高SPE的循環(huán)性能?！?/p>

重要的是，由聚合物基質(zhì)和鋰鹽組成的SPE表現(xiàn)出與LMB電極兼容的特性，如柔韌性和加工性。該靜電紡絲法還消除了在PET和PVDF層之間因壓制方法而產(chǎn)生的褶皺和空隙，提供了一種簡易、適應(yīng)性強(qiáng)的納米纖維膜制造方法。Kim表示：“LEMON公司利用工業(yè)規(guī)模靜電紡絲設(shè)備來生產(chǎn)納米纖維，從而確保小而均勻的孔徑和高孔隙率。這樣可以在不影響離子擴(kuò)散的情況下容納聚合物材料和鋰鹽，并提高電化學(xué)氧化穩(wěn)定性?！?/p>

在這項(xiàng)研究中，PVDF納米纖維被直接電紡到微纖維PET層上，以產(chǎn)生更堅(jiān)固的雙層材料。在較長時(shí)間的充電和再充電周期中，由于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性提高，SPE能夠承受系統(tǒng)中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)。Kim表示：“受益于雙層基質(zhì)，固態(tài)聚合物電解質(zhì)的機(jī)械和熱學(xué)性能大幅提高，使電池的運(yùn)行時(shí)間超過2000小時(shí)?！贝送?，這種材料具有高抗拉強(qiáng)度，可以抑制鋰枝晶生長，這是LMB系統(tǒng)面臨的重大挑戰(zhàn)之一。

該團(tuán)隊(duì)表示，盡管SPE技術(shù)有所提升，但要充分發(fā)揮類似SPE固態(tài)電解質(zhì)的潛力，還需要做更多的工作。Kim表示：“SPE的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性提高，有益于延長鋰電池的壽命和安全使用。然而，SPE的速率性能和鋰遷移率，仍然比不上鋰離子電池中的液體電解質(zhì)。下一步，研究人員需要提高離子電導(dǎo)率，以滿足快速充放電的要求?！毖芯咳藛T可能進(jìn)一步研究其他基質(zhì)，以繼續(xù)提高SPE的電化學(xué)性能，并推進(jìn)ASSLMB系統(tǒng)技術(shù)。