周豪慎/潘安强Nature子刊：9微米厚隔膜用于350 Wh/kg锂金属软包电池！

理论上，使用比传统隔膜（> 20 µm）更薄的隔膜将提高锂电池的能量密度和比能量。然而，较薄的隔膜会增加锂离子电池和锂金属电池中形成的锂枝晶发生内部短路的风险。

图1. 无裂纹改进超薄MOF基隔膜的示意图和特征

在此，日本产业技术综合研究所（AIST）/南京大学周豪慎教授、中南大学潘安强教授等人通过电流驱动的电合成技术在商用超薄聚丙烯隔膜（8μm）的通道/空隙中原位生长无裂纹ZIF-8 MOF，同时在MOF通道中聚集电解质。令人振奋的是，改进后的基于MOF的超薄隔膜厚度只有9 μm，其重量几乎与原始的商用超薄聚丙烯隔膜基底相同（0.82 mg/cm² vs 0.80 mg/cm²）。

更有趣的是，在纽扣电池的电流驱动过程中，无裂纹的超薄MOF隔膜仅含有微量的液体电解质（本研究中为3.1mg/cm²，而在典型电池中添加32.4 mg/cm²），其在MOF通道内产生聚集结构。因此，基于改进的超薄隔膜与MOF通道内的聚合电解质相结合的电池总重量仅为使用市售的超薄隔膜和典型电解质组装电池的12%。

图2. 改进的超薄MOF基隔膜的物理化学性质

因此，得益于改进的超薄轻型MOF基隔膜，在典型的碳酸酯电解液（1 mol/L LiPF₆-EC/DMC，最初与锂金属不兼容）中采用两倍过量的锂组装的Li||Cu半电池在1800小时内的平均CE高达99.7%。此外，Li有限的NCA||Li全电池在400次循环后仍保持176 mAh/g的容量（超过其初始容量的90%），这远远超过了使用传统超薄隔膜的NCA||Li全电池（仅31次循环后容量变为85.5 mAh/g，之后电池失效）。

最重要的是，由于隔膜和电解液的重量较轻，最终实现了具有354 Wh/kg高能量密度的锂金属软包电池（25.2 mg/cm²NCA质量负载，N/P比为3.96，E/C比为1 g Ah^-1），200次循环后仍具有80%的容量。总之，这种在软包电池级别的改进策略可更简单有效地加速实用锂金属电池的开发。

图3. 基于超薄MOF基隔膜制造的350 Wh/kg软包电池

An improved 9 micron thick separator for a 350 Wh/kg lithium metal rechargeable pouch cell, Nature Communications 2022. DOI: 10.1038/s41467-022-34584-z

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周豪慎/潘安强Nature子刊：9微米厚隔膜用于350 Wh/kg锂金属软包电池！

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