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文 章 信 息
热稳定生物质聚合物隔膜赋能长寿命钾金属电池
第一作者：王玉园、许亮
通讯作者：孙靖宇、程涛、易雨阳
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研 究 背 景
钾金属电池（KMBs）因其成本低廉和钾资源丰富，逐渐成为锂金属电池的有力替代者之一。尽管钾金属电池在原材料方面具有成本优势，但在实际应用中仍面临诸多挑战，尤其是钾阳极的枝晶生长、固态电解质界相（SEI）不稳定等问题，不仅影响电池的安全性，还限制了其循环寿命。因此，开发能够提高电池性能、增强安全性和延长循环稳定性的隔膜材料成为推动KMBs广泛应用的关键所在。
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文 章 简 介
近日，苏州大学孙靖宇教授团队在ACS Nano上发表了题为“A Thermally Robust Biopolymeric Separator Conveys K+ Transport and Interfacial Chemistry for Longevous Potassium Metal Batteries”的研究论文。苏州大学孙靖宇教授、程涛教授，香港理工大学易雨阳博士为论文的共同通讯作者。
该研究设计了一种氨基硅烷修饰的纤维素基电池隔膜（CAS隔膜），旨在解决钾金属电池在使用过程中面临的枝晶生长以及潜在热失控等问题。通过氨基硅烷功能化和溶剂交换策略，所创制的CAS隔膜不仅优化了孔隙结构和离子传输效率，还增强了钾阳极界面的化学稳定性及热稳定性。研究结果表明，CAS隔膜能够有效抑制枝晶生长，促进富无机组分的SEI层形成。对称电池测试表明CAS隔膜在3000小时后仍保持稳定的循环；全电池测试中，在400次循环后仍能保持80%的容量，展现出良好的实际应用潜力。该研究为实现钾金属电池的高效能和长寿命提供了一种隔膜设计方案。
图1. CAS隔膜的设计理念。
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本 文 要 点
定制化功能设计提升离子传输与SEI稳定性：
本文提出的氨基硅烷修饰纤维素基电池隔膜（CAS隔膜）通过溶剂交换与功能化相结合，优化了隔膜的孔隙率及孔径分布，从而提升了离子传输效率。CAS隔膜的极性基团与电解液中的离子及溶剂分子相互作用，优化了离子传输路径，促进了富无机SEI的形成。这一SEI层有效抑制了钾金属阳极的枝晶生长，并确保钾离子均匀沉积，从而提升了钾阳极的循环稳定性。
增强的热稳定性与电池安全性：
通过氨基硅烷修饰，CAS隔膜展现出优异的热稳定性，有效避免了高温引发的热失控问题。氨基硅烷基团通过氢键和硅氧键增强了隔膜的结构强度和热稳定性，并利用氮和硅元素的协同效应，显著提升了隔膜的热稳定性，进一步提高了电池的安全性。CAS隔膜能够在高温环境下保持良好性能，为钾金属电池的未来应用提供了重要保障，并推动了其在高安全性应用领域的发展。
优异的循环稳定性与长寿命：
CAS隔膜在对称电池测试中表现出超过3000小时的稳定循环性能。优化的SEI结构与抑制枝晶生长的特性确保了钾金属电池在长期使用中的可靠性和稳定性，显示出广泛的应用前景。该设计有效解决了钾金属电池在循环过程中常见的枝晶生长问题，提高了其耐用性。
图2. (a) 通过分子动力学模拟计算的CNF-NH2和不同溶剂之间的氢键数量；(b) CAS隔膜的SEM图像，插图为截面视图（比例尺：20 μm）；(c) CAS膜的光学照片；(d) CAS、CNF和GF隔膜的FTIR光谱；(e) CAS隔膜的XPS 高分辨N 1s谱；(f) CAS、CNF与GF隔膜的孔径分布；(g) CAS、CNF与GF隔膜的电解液接触角；(h) CAS与PP隔膜的热稳定性比较。
图3. (a) 半电池在0.5 mA cm–2/0.5 mAh cm–2下的库伦效率对比；(b) 基于不同隔膜的对称电池倍率性能对比；(c) 对称电池在0.5 mA cm–2/0.5 mAh cm–2下的循环性能对比；(d) 基于CAS隔膜对称电池在0.3 mA cm–2/0.3 mAh cm–2下循环性能；(e) 本工作与以往有关电池隔膜研究的对称电池性能比较；(f) 不同温度下CAS基对称电池在0.5 mA cm–2/0.5 mAh cm–2下的循环性能。
图4. (a) CAS、CNF和GF 隔膜的离子电导率测试；(b)钾离子迁移数测试 ；(c)不同隔膜与液态电解液（LE）在680–780 cm–1区间的拉曼光谱；(d)不同隔膜与LE在800–900 cm–1区间的拉曼光谱；(e) CAS、CNF和GF隔膜或对应浸润电解液的隔膜的FTIR光谱图；(f) 不同组分之间的结合能比较。
图5. (a, b) 循环后钾电极的XPS F 1s谱图与 (c, d) C 1s谱图；(e) 循环后钾电极表面典型二次离子的ToF-SIMS归一化强度；(f) 分别基于CAS和GF隔膜的钾电极ToF-SIMS三维重建图；(g) 钾沉积过程中的原位XRD图及对应放电曲线；(h)循环后的钾电极的SEM图像，分别采用CAS隔膜和GF隔膜。
图6. (a) 全电池的CV曲线；(b) 全电池的倍率性能和 (c) 对应充放电曲线图；(d) 全电池的长循环测试；(e) 浸润电解液后的隔膜燃烧对比试验；(f) 隔膜关键性能指标的雷达图。
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研 究 结 论
本研究开发的氨基硅烷修饰纤维素基电池隔膜，通过溶剂交换与氨基硅烷功能化策略，显著提升了钾金属电池的离子传输效率和热稳定性。CAS隔膜促进了富无机组分SEI层的形成，确保了阳极界面的稳定性，并抑制了钾枝晶的生长。在对称电池测试中，CAS隔膜展现了超过3000小时的稳定循环性能，证明了其在提高电池寿命方面的潜力。同时，CAS隔膜的热稳定性将有效避免热失控问题，从而助力钾金属电池的安全性。这一创新隔膜设计有望推动钾金属电池的实用化。
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文 章 链 接
A Thermally Robust Biopolymeric Separator Conveys K+ Transport and Interfacial Chemistry for Longevous Potassium Metal Batteries.
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.4c16664
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