Small綜述：高能量密度金屬電池中功能性聚合物隔膜的設計準則
近年來，智能手機、可穿戴設備、電動汽車等新興領域蓬勃發展，目前低能量密度電池體系（鉛酸電池、鎳鎘電池、傳統鋰離子電池等）已難以滿足先進電子器件的需求。因此，具有高能量密度與長循環穩定性的新一代電池系統亟待發展。現有的鋰離子電池通常採用石墨作為負極，其理論容量為360 mAh g-1，若採用金屬鋰作為負極材料，其理論容量可達3860 mAh g-1，為石墨負極的10 倍左右，將有望大幅度提高鋰電池的能量密度。但是，金屬鋰負極存在眾多新問題，比如：充放電過程中負極界面處易產生大量鋰枝晶，刺穿傳統聚烯烴隔膜，造成電池短路甚至爆炸，這也導致了高能量密度金屬鋰電池迄今未能大規模應用。
不同於現有鋰離子電池體系，高能量密度金屬鋰、鈉電池體系中存在著枝晶狀電沉積、不穩定的固態電解質膜（SEI）、正極活性物質流失等新的挑戰，而廣泛使用於現有鋰離子電池中的聚烯烴微孔隔膜並不能解決上述新挑戰。所以，對隔膜的化學組成及整體結構進行功能性設計以應對高能量密度金屬電池體系中的種種挑戰十分必要。
近日，浙江大學陸盈盈研究員和美國康奈爾大學Lynden A. Archer教授合作在Small期刊發表了題為「Design Principles of Functional Polymer Separators for High-Energy, Metal-Based Batteries」綜述文章。該綜述從發展超高機械強度聚合物隔膜、調節離子傳導類隔膜和功能性複合隔膜，這三個角度對應用於高能量密度金屬電池的新型功能性聚合物隔膜進行了總結，並從金屬負極失效的機理角度出發，分析並總結了新型功能性聚合物隔膜的具體設計準則。在新型隔膜的設計準則中，隔膜不僅僅是起到了隔絕正負極接觸的作用，具有超高機械強度的聚合物隔膜可以物理上抑制鋰枝晶的生長，提高整體電池的安全性能；調節離子傳導類隔膜可以均勻化界面處鋰離子流或固定體系中陰離子以應對空間電荷引發的枝晶生長；功能性聚合物隔膜可以有效地抑制正極活性物質的穿梭與流失，從而提升電池整體性能。最後，該綜述從隔膜結構調整、功能性響應、固態電解質和柔性電池發展及生產成本等角度展望了新型隔膜材料在下一代高能量密度金屬電池領域中的發展前景，為新型隔膜設計提供了新的思路。
相關文章在線發表在Small（DOI: 10.1002/smll.201703001）上。浙江大學碩士生張魏棟及美國康奈爾大學博士塗正元為該論文的共同第一作者。
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