近日，中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所科研人員與先進(jìn)能源科學(xué)與技術(shù)廣東省實(shí)驗(yàn)室相關(guān)團(tuán)隊(duì)合作，利用離子徑跡技術(shù)研制出一種面向無(wú)枝晶鋰金屬陽(yáng)極的離子管理膜，相關(guān)成果發(fā)表在《先進(jìn)能源材料》（Advanced Energy Materials）上。

在眾多鋰電池陽(yáng)極材料中，鋰金屬陽(yáng)極因具有最高的理論比容量和低電化學(xué)電位而受到持續(xù)關(guān)注。然而，在長(zhǎng)期循環(huán)過(guò)程中，鋰金屬陽(yáng)極鋰枝晶生長(zhǎng)以及體積膨脹會(huì)造成電池性能下降，且?guī)?lái)嚴(yán)重的安全問(wèn)題，阻礙了它的進(jìn)一步商業(yè)化應(yīng)用。近年來(lái)，科研人員致力于尋求鋰枝晶生長(zhǎng)問(wèn)題的解決方案。研究發(fā)現(xiàn)，均勻的鋰離子分布可實(shí)現(xiàn)鋰金屬陽(yáng)極表面鋰均勻沉積并抑制鋰枝晶生長(zhǎng)。隔膜作為不可或缺的鋰電池組件，不僅具有隔離電池正負(fù)極的功能，還可有效調(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(duì)于開(kāi)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(shù)和表面化學(xué)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(fù)電性的納米通道，可作為離子分配器和“鋰離子導(dǎo)向器”，減小鋰離子濃度波動(dòng)并實(shí)現(xiàn)鋰離子選擇性傳輸。該離子管理膜獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和化學(xué)特性使其具有較高的離子電導(dǎo)率（0.73 mS cm^-1）和優(yōu)異的鋰離子轉(zhuǎn)移數(shù)（0.80），同時(shí)將鋰金屬陽(yáng)極表面鋰離子濃度波動(dòng)降至最低。該隔膜用于鋰/銅電池時(shí)，在0.5 mA cm^-2下循環(huán)100次，庫(kù)侖效率超過(guò)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(zhǎng)至1200小時(shí)。對(duì)于Li/LiFePO₄電池，該工藝可使比容量達(dá)到146 mAh g^-1，并在1000次循環(huán)后保持79.84%的容量。

該研究為多功能電池隔膜的設(shè)計(jì)和研制，以及解決高性能鋰金屬電池的安全性問(wèn)題提供了新的思路。

研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金等的支持。

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