上海交大梁正、颜徐州联合在《美国国家科学院院刊》发表高性能锂金属电池隔膜电子云设计最新成果

近日，上海交通大学变革性分子前沿科学中心梁正课题组和化学化工学院/变革性分子前沿科学中心颜徐州课题组针对电池内部锂离子界面传输阻力大等问题，通过变革性的分子设计与电子云调控，实现了界面快离子传导，开发出高比能长循环的锂金属电池。相关成果以“A polyimine aerogel separator with electron cloud design to boost Li-ion transport for stable Li metal batteries”为题发表于国际著名学术期刊《美国国家科学院院刊（PNAS）》，梁正副教授的博士生丁罗义与助理研究员岳昕阳为论文的共同第一作者，上海交通大学为唯一通讯单位。

锂枝晶的形成导致锂金属电池的循环寿命大幅衰减，使锂金属电池的实际应用受到了极大的限制。锂离子传输阻力与界面离子通量不均匀被认为是锂枝晶的关键成因之一。近年来，多孔材料由于其高孔隙度、孔隙结构可调节、易于功能化等独特优点，已被广泛应用于解决锂枝晶相关问题，特别是在隔膜工程领域。然而，通过变革性的分子设计和电子云调控来开发功能集成和自支撑隔膜的研究目前并未得到广泛报道。

图1 PIA隔膜的制备路径和其对锂沉积的影响

针对上述问题，上海交大梁正课题组和颜徐州课题组采用一种具有明确氮（N）功能位点的聚亚胺气凝胶（PIA）作为锂金属电池的功能隔膜，促进界面快离子传导，锂均匀成核，抑制锂枝晶生长。具体来说，PIA分子结构中的亚胺（N1）和质子化叔胺（N2）位点在电子云密度（ECD）分布上存在显著差异。ECD较高的N1位点和ECD较低的N2位点分别通过静电相互作用来吸引和排斥锂离子。PIA隔膜的这种协同效应加速了界面处的锂离子在锂负极上的扩散，以获得均匀的二维锂成核行为。如图1所示，PIA隔膜N1-N2协同作用可以有效加速PIA/Li金属界面内锂离子的扩散，从而抑制局部电流密度的形成，促进二维锂均匀成核以及锂的均匀沉积。此外，PIA隔膜丰富的多级孔结构有利于获得高离子电导率和均匀锂离子通量。在常规碳酸酯类电解液中，PIA基电池的库伦效率是使用商用聚丙烯隔膜的电池的两倍以上，且未观察到明显的锂枝晶形成。同时，PIA隔膜也被组装到含有磷酸铁锂或高压三元正极的锂金属电池中，展现出具有竞争力的电化学性能。这些结果表明，变革性的分子设计、多级孔隙结构工程、局域电子云精准调控（图2）的巧妙结合可使电池隔膜能够促进界面离子输运，优化锂的成核生长行为，助力高性能锂金属电池。

图2 由PIA隔膜诱导的电子云协同作用机制分析

本研究得到上海交通大学分析测试中心和张江公共仪器平台提供的关键实验支撑。变革性分子前沿科学中心梁正副教授领衔的创新团队长期聚焦极端条件下的高性能锂二次电池，拓展高性能锂二次电池的设计边界。团队致力于解决电池在高温、低温、快速充电等场景下的前沿基础性科学问题和关键技术，旨在通过学科交叉实现材料-器件-系统层面的整体解决方案，推动相关领域取得颠覆性进展。梁正课题组近年来在Nature Sustainability, Nature Communications, PNAS, Joule, JACS, Angewandte Chemie, Advanced Materials, Nano Letters等高水平期刊上以上海交通大学为通讯作者单位发表系列论文。

论文链接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2314264120