武汉理工大学张鹏超、解晶晶团队Small综述：具有高模量、热稳定性强的纳米多孔芳纶纳米纤维锂电池隔膜新材料研究

第一作者：刘少鹏

通讯作者：张鹏超*，解晶晶*

单位：武汉理工大学

近日，武汉理工大学张鹏超研究员课题组在国际知名期刊Small上发表题为“Nanoporous Aramid Nanofiber Separators with High Modulus and Thermal Stability for Safe Lithium-Ion Batteries”的研究性文章。该文章采用基于微流控层流的连续制备技术，将ANFs与聚氧化乙烯（PEO）复合制备兼具高模量和优异热稳定性的厚度仅为2 μm的超薄高安全锂离子电池隔膜。与商业聚烯烃隔膜相比，所制备ANF隔膜的均匀纳米多孔结构（60 ± 5 nm）使锂离子传输过程中分布均匀，其高模量（3.3 ± 0.5 GPa）可以有效抑制锂枝晶生长。所组装的锂离子电池240次循环后容量保持率为80%。纳米多孔ANF隔膜具有优异的热尺寸和结构稳定性，在300℃高温下处理30 min后，其宏观尺寸和微观孔结构均无明显变化。所组装的锂离子电池在模拟热滥用（150℃环境中放置20 min）后和持续的90℃高温环境中仍能正常运行，有效提高了电池的安全性能。与同类隔膜相比，纳米多孔ANF隔膜综合性能优异，为开发高安全长寿命锂离子电池提供了新材料。

微流控芯片中的通道在微米尺度精确可调，其中的流体为层流。与ANF溶液快速溶胶凝胶转换相结合，制备厚度精准可控的ANF薄膜。当ANF/PEO液流与凝固浴(去离子水)接触后，由于凝固液中的游离质子从上下两个表面扩散进入ANF/PEO液流并与ANF表面带负电荷的酰胺基团相互作用，导致其质子化，在几秒钟内固化成膜。由于PEO易溶于水，一步水洗过程即可将PEO从凝胶膜中去除，形成孔隙。连续制备的多孔ANF薄膜具有高度透明、自支撑和优异的柔韧性。

所制备的纳米多孔ANFs隔膜兼具超薄的厚度、均匀的孔径分布以及优异的力学性能。其厚度从1.6 ± 0.1 μm 至 2.7 ± 0.1 μm 可控。得益于双面溶剂扩散，隔膜的孔径大小在 40 ± 5 nm 到 105 ± 9 nm范围内均匀可控，孔径分布窄。其中孔径大小为60 ± 5 nm的隔膜的模量可达3.3 ± 0.5 GPa。

与Al₂O₃@PP隔膜相比，纳米多孔ANF60隔膜具有更高的模量、孔隙率、电解液吸收率以及更低的电解液接触角和阻抗。纳米多孔ANFs隔膜使锂离子嵌入/脱出过程中分布更均匀，显著抑制锂枝晶的生长。基于纳米多孔 ANFs隔膜的 LiFePO₄ (LFP)||Li 半电池表现出卓越的电化学性能：240次循环后容量保持率为80%，高于同等条件下的使用Al₂O₃@PP隔膜组装的半电池（76%），并且显示出更高的放电比容量和良好的可逆性。

“Nanoporous Aramid Nanofiber Separators with High Modulus and Thermal Stability for Safe Lithium-Ion Batteries”

张鹏超研究员简介：张鹏超，研究员，博士生导师，国家高层次人才（青年项目）、湖北省高层次人才（青年项目）、武汉英才。围绕国家对高端膜材料的重大需求，开发“滴液成膜”—基于液滴超铺展的高分子薄膜制备新技术，成功制备系列高性能膜材料，探索其在电池隔膜、海水淡化等方面的应用。至今已在Nature、Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.等国际高水平学术刊物上发表论文70余篇。承担国家自然科学基金等多项国家级和省部级科研项目，多次受邀在国内外学术会议上做邀请报告。获中国化学会第五届菁青化学新锐奖、2020中国新锐科技人物突出成就奖、中国科学院院长优秀奖等荣誉和奖励。任中国化学会青年化学工作者委员会委员、Interdisciplinary Materials学术编辑等。