AFM：用于杂质清除的功能性MOF隔膜助力高能量密度锂离子电池

锂离子电池（LIBs）由于其高能量密度、高工作电压和优异的倍率性能，被广泛应用于电动汽车、便携式电子设备和储能系统。鉴于人们对储能设备的兴趣日益增长，许多研究人员对锂离子电池进行了深入研究。然而，在重复的电池循环过程中，LIBs的容量衰减和稳定性缺乏明确性。在有机电解质中，传统的锂盐LiPF₆与微量的水反应，导致分解和寄生反应，这种反应会导致严重的副作用。高腐蚀性HF气体会导致过渡金属溶解、电极腐蚀和固体电解质界面（SEI）损坏。

这些棘手的问题严重降低了电池的整体性能。过渡金属的溶解产生超氧化物自由基（O2^•−），分解电解质中的关键溶剂乙烯部分，产生CO、CO₂和H₂O。这些气体会增加电池内部的压力，影响电池的安全性。电解质的持续消耗会导致容量下降，进而缩短电池寿命。此外，离子绝缘副产物，严重影响电池单元的阻抗增加。这是因为这些副产物作为SEI组分沉积在负极表面上。产生的LiF积聚在正极上，阻碍了Li+的迁移，降低了锂离子的导电性。

近年来，一种广泛使用的方法是用无机材料和有机材料涂覆正极表面。涂层在一定程度上防止HF侵蚀，增强正极稳定性。然而，很难控制涂层的厚度和均匀性，并且残留副产物和HF气体的危险是不可避免的。在这种情况下，用于清除水或HF的添加剂的研究引起了人们的广泛关注。

在此，韩国梨花女子大学的Hoi Ri Moon团队和韩国浦项理工大学的Soojin Park团队将功能性金属-有机框架（MOFs）作为LIBs中的隔膜，其中通过静电纺丝制备了高耐热聚合物隔膜。MOFs可以清除对电池性能和安全产生积极影响的杂质（包括气体、水和氢氟酸）。当富镍正极在高压和高温下运行时，多功能隔膜可以抑制盐的分解。这可以延迟正极界面的恶化，并导致极好的循环稳定性，即使在电解质中存在500 ppm的水的情况下，也能保持75%的保持率。

此外，通过扩大隔膜来制造软包电池，并且在软包状态下由于气体产生和界面退化而导致的电极溶胀程度被减轻到50%或更低。这些发现突出了清除杂质以保持优异性能的必要性，并为LIBs中的功能性隔膜提供了发展方向。

图1. GU@PAN隔膜的制备与表征

具体而言，GU@PAN是使用GPTMS功能化的UiO-66-NH₂材料通过简单的静电纺丝技术制备得到。一般的MOFs很容易被盐分解产生的酸破坏。然而，功能性MOFs（GU）可以有效地吸附电池中可能存在的水分和CO₂气体。

此外，引入UiO表面的烷氧基官能团起到HF清除剂的作用，导致UiO颗粒的结构完整性。当功能性MOFs与具有优异机械柔韧性的PAN结合时，所有清除GU@PAN与烯烃隔膜相比，隔膜在高温下表现出良好的热稳定性和较小的收缩。因此GU@PAN由于其高离子导电性，与PE隔膜相比，GU@PAN在5C的倍率下增加了五倍以上；由于其优异的杂质清除性能，即使在高温（55°C）和4.4V的截止电压下，隔膜也显示出显著提高的容量保持率（200次循环后75%）。最后，原位DEMS分析证实，电池运行过程中产生的气体量显著减少，软包电池的膨胀得到抑制，证明了电池的安全和高性能运行。因此，功能隔膜的有效设计可以在高温和4.4V截止电压条件下提供更安全和稳定的电池操作。

图2. GU@PAN的电化学性能

All-impurities Scavenging, Safe Separators with Functional Metal-Organic-Frameworks for High-Energy-Density Li-Ion Battery,Advanced Functional Materials 2023 DOI: 10.1002/adfm.202302563

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