武汉理工大学李俊升、刘金平报道用于钾金属电池的聚烯烃基功能化隔膜

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随着经济全球化发展，社会对储能技术的需求与日俱增。锂离子电作为当前最为成熟的电池技术已经广泛应用于便携式电子设备、电动汽车等。然而，锂元素的地壳含量较低，导致锂离子电池成本不断提高。寻找基于自然界高丰度元素、绿色环保、可持续发展的新型二次电池成为了研究热点。

在众多新型二次电池中，钾金属电池凭借其独特的优势而备受关注。相比于锂、钠电池，钾金属电池具备以下优势：（1）钾在自然界中含量远高于锂；（2）较低的标准电极电势；（3）较小的溶剂化离子半径有利于离子的快速运输；（4）可以使用便宜经济的铝箔作为集流体。然而，使用钾金属作为负极带来的问题同样不可忽视：例如钾金属的高反应活性；充放电过程中钾的体积膨胀；不稳定的 SEI 膜以及钾枝晶生长等，这些最终将影响电池性能并带来安全隐患。

为了解决上述问题，不少的工作已经被报道，例如电解液组分的调控、电极集流体的结构设计等。然而这些往往都伴随着复杂的制备过程，增加了在实际的生产中的加工难度。因此，研究团队将视角转向电池隔膜的设计。由于隔膜同样作用与金属负极与电解质界面，通过对其合理改性，有望解决钾金属负极所面临的问题。

为什么用聚烯烃基隔膜 ?

当前常用的钾金属电池隔膜为玻璃纤维（GF），其价格昂贵，厚度大，导致电池能量密度低，不具备经济效应。另外，随着循环圈数的增加，玻璃纤维的骨架容易坍塌，循环稳定性较差，其较大的空隙也为钾枝晶的生长提供了空间，导致电池极其容易发生短路，带来严重的安全问题。

聚烯烃隔膜作为商业化的锂二次电池隔膜，已实现大规模生产，并且价格低廉，在锂电池中已有诸多研究与应用。此外，聚烯烃隔膜具有良好的化学稳定性、远小于玻璃纤维的厚度。因此，将聚烯烃隔膜作为玻璃纤维隔膜的替代品运用于钾金属电池中，有望提高钾金属电池的能量密度、降低生产成本。

然而，聚烯烃隔膜存在机械强度较低、对电解液润湿性差、孔径分布不均匀等问题，导致其无法直接应用于钾金属电池。因此，研究团队希望通过对聚烯烃隔膜进行功能化，提高隔膜机械强度、调节钾离子运输和钾金属界面化学，以实现钾金属的稳定可逆沉积，抑制钾枝晶的生长，最终提升电池性能。

功能化聚烯烃隔膜的设计

MOF 材料因其独特的物理化学性质在电池领網域广泛研究和应用。将其涂敷在隔膜表面，其高机械强度可以改变枝晶的生长方向，防止隔膜被枝晶刺穿。其次，MOF 材料具有均匀的孔结构，这有利于钾离子的均匀分布和快速运输。同时 MOF 的高极性使得其对电解液具有较高的亲和性，保障了隔膜对电解液的润湿。因此，在本工作中，研究团队首先在 PEP 隔膜表面涂敷了氨基化的 MIL-101 ( Cr ) （NM），制备了 PEP-NM 隔膜，并对其进行了理论验证。DFT 理论计算与 Raman 测试表明，得益于 NM 对 FSI- 的强吸引力，以及同时对 K+ 的排斥，NM 功能层可以有效提高钾盐 KFSI 的解离，促进钾离子溶剂化。

隔膜的设计思路、SEM 影像、DFT 计算和 Raman 测试。

随后研究团队对隔膜的物理和电化学性质进行了表征，结果显示相比于 PEP 隔膜，改性后的 PEP-NM 隔膜具有更高的机械强度、弹性模量、热稳定性和电解液亲和性。基于这些物理性质，装配 PEP-NM 隔膜的电池具有显著提升的高离子电导率和钾离子迁移数。这也与理论计算模拟结果相吻合。对称电池与半电池测试结果也证明了 PEP-NM 隔膜可以有效缓解钾枝晶生长，实现了均匀稳定的钾金属沉积 / 剥离，提高库伦效率。

隔膜的物理、电化学性能表征。

隔膜的对称电池与半电池测试。

良好的电化学性能证明了所设计的 PEP-NM 隔膜可以有效调控钾金属沉积行为，这不仅归因于其高机械强度和高润湿性提供的优良物理作用，涂层对界面化学的调控也同样不可忽视。对循环后的钾金属电极进行了 SEM 表征和 XPS 深剖分析，其结果显示 PEP-NM 促进了 SEI 膜中无机组分尤其是 KF 的生成，这有利于抑制钾枝晶的生长。同时，SEM 也表现出近乎无枝晶的沉积形貌。凭借这种物理、化学双重作用，设计的 PEP-NM 隔膜在钾金属全电池中也同样表现优异。