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近日，中國科學院近代物理研究所科研人員與先進能源科學與技術廣東省實驗室相關團隊合作，利用離子徑跡技術研制出一種面向無枝晶鋰金屬陽極的離子管理膜，相關成果發(fā)表在《先進能源材料》（Advanced Energy Materials）上。

在眾多鋰電池陽極材料中，鋰金屬陽極因其具有最高的理論比容量和低電化學電位而受到持續(xù)關注。然而，在長期循環(huán)過程中，鋰金屬陽極鋰枝晶生長以及體積膨脹會造成電池性能下降并帶來嚴重的安全問題，阻礙了它的進一步商業(yè)化應用。近年來，科研人員一直在努力尋求解決鋰枝晶生長問題。研究發(fā)現(xiàn)，均勻的鋰離子分布可實現(xiàn)鋰金屬陽極表面鋰均勻沉積并抑制鋰枝晶生長。作為不可或缺的鋰電池組件—隔膜，不僅具有隔離電池正負極的功能，還可以有效調(diào)控鋰離子分布和傳輸特性。因此，尋找兼具鋰離子“分配”、“篩分”和“加速”功能的多功能隔膜對于開發(fā)高性能鋰金屬電池具有重要意義。

科研人員基于蘭州重離子研究裝置（HIRFL），利用離子徑跡技術和表面化學修飾工藝研制出一種可有效“管理”離子分布和傳輸特性的電池隔膜—離子管理膜。該離子管理膜具有垂直排列、直徑均一、荷負電性的納米通道，可作為離子分配器和“鋰離子導向器”，減小鋰離子濃度波動并實現(xiàn)鋰離子選擇性傳輸。該離子管理膜獨特的結(jié)構和化學特性使其具有較高的離子電導率（0.73 mS cm^-1）和優(yōu)異的鋰離子轉(zhuǎn)移數(shù)（0.80），同時將鋰金屬陽極表面鋰離子濃度波動降至最低。該隔膜用于鋰/銅電池時，在0.5 mA cm^-2下循環(huán)100次，庫侖效率超過96%。此外，在1.0 mA cm^-2條件下，可將鋰/鋰電池的循環(huán)壽命延長至1200小時。對于Li/LiFePO₄電池，該工藝可使比容量達到146 mAh g^-1，并在1000次循環(huán)后保持79.84%的容量。

此項研究工作為多功能電池隔膜的設計和研制，以及解決高性能鋰金屬電池的安全性問題提供了新的思路。

該工作得到了國家自然科學基金等項目支持。

原文鏈接：https://doi.org/10.1002/aenm.202401377

圖： 離子管理膜和傳統(tǒng)多孔隔膜的離子傳輸特性和陽極表面鋰沉積行為示意圖 （圖/桂小鈺）

(納米材料室 供稿)