【科技自立自强】西安交通大学科研人员在新能源电池隔膜/固态电解质领域取得新进展

随着公众对于新能源汽车日益增长的需求，除了电池容量衰减引起的里程焦虑外，一系列因电池安全问题造成的新能源车自燃事故严重影响了公众对于新能源车的消费信心，阻碍了新能源车的进一步推广应用。隔膜作为锂电池的关键部件之一，不仅防止了电池正负极的直接接触短路，还为锂离子转移提供了必要传输通道，直接影响着锂电池的循环性能表现。然而，传统聚烯烃类商用隔膜的熔点低、机械强度差，遇热时易收缩、在电池循环过程中易被锂枝晶穿刺，从而引发电池短路，甚至造成起火和爆炸。

针对上述问题，西安交通大学能动学院延卫教授、王嘉楠副教授团队研发了具有高热稳定性的隔膜及固态电解质材料并揭示了其在相关电池体系中的锂枝晶生长-抑制机制，取得了系列研究进展。

图1 高安全型芳纶涂覆隔膜的设计概念及工作机理

（1）考虑到市场对隔膜材料的高需求量，研究团队采用了一种简单、可大规模应用的集成化策略研发出一种高安全型芳纶涂覆隔膜并将其成功应用于三元锂金属电池、锂硫电池等高能量密度电池体系。得益于各组分间的物理-化学协同作用，该隔膜在160°C高温环境下仍能保持完成形状，在电池循环过程中能够促进锂的均匀沉积以抑制锂枝晶不可控生长。由该隔膜组装的三元锂金属电池在宽温度区间（-10-100 °C），快速充放电（30 C电流密度）等工况下的电池性能均优于常规聚合物隔膜体系。该成果以《热稳定及抗枝晶的隔膜助力实现高安全性锂金属电池》（Thermally Stable and Dendrite-Resistant Separators toward Highly Robust Lithium Metal Batteries）为题发表在能源领域知名期刊《先进能源材料》（Advanced Energy Materials），并被评为当期封面论文。

图2 整合等离子体策略的工作机理

（2）凭借高能量密度和高热稳定性等优势，由固态电解质及锂金属负极组成的固态锂金属电池展现出了巨大应用潜力，被认为能从根本上解决商用锂电池中隔膜及电解液的易燃问题。然而相关研究表明，锂枝晶的无序生长会引发固态电解质内部裂纹拓展、缺陷孔隙放大，进而造成固态电池失效短路。为解决该问题，研究团队提出了一种“整合等离子体（Integration Plasma）”界面工程策略，在固态电解质表面构筑了由金属元素、电负性元素、碳元素组成的化学调节层。该人工界面层可通过与锂金属负极之间的原位反应，同步生成锂-金属合金（快离子导体）、氟化锂（电子穿梭抑制剂）、非晶态碳（体积变化缓冲剂）等化学物质，有利于实现固态电解质表面均匀的电场分布和锂沉积，从而有效阻止了锂枝晶在固态电解质内部的生长，大大延长了固态电池的循环寿命。该成果以《基于整合等离子体策略的界面化学调控实现固态锂金属电池均质化锂沉积》（Integration Plasma Strategy Controlled Interfacial Chemistry Regulation Enabling Planar Lithium Growth in Solid-State Lithium Metal Batteries）为题发表在材料领域知名期刊《先进功能材料》（Advanced Functional Materials）。

上述研究成果均以西安交通大学能动学院环境工程系为第一通讯单位，第一作者为孙世翼博士，参与合作者包括了英国帝国理工大学赵云龙教授，英国萨里大学蔡琼教授、杨凯博士等。上述研究受到了国家自然科学基金、中国博士后基金、陕西省重点研发计划、中英国际交流项目和西安交通大学分析测试中心的支持。

论文链接：

(1)https://doi.org/10.1002/aenm.202202206;

(2)https://doi.org/10.1002/adfm.202304929