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通过两层不同性质材质的Janus膜可用作锂离子电池隔膜
《先进功能材料》杂志 / 时间:2016-10-25 15:15:23

  据X-MOL资讯网2016年10月23日讯 关于Janus粒子的论述,最早恐怕要追溯到P. G. de Gennes的诺奖演讲(当然,最早关于Janus粒子的文章要再早一些)。Janus(杰纳斯)是古罗马神话中的两面神的名字,据说他有两张脸,一张面向过去,一张面向未来。而在化学领域,它被用来形容具有不对称结构,特别是相反结构或性质的材料。Janus粒子也成为了最早被研究的Janus材料之一。
  当Janus的概念被引述到二维材料的时候,Janus界面材料则成为了研究者们重新关注的一个热点,例如,Janus膜。
  早期对于Janus膜的研究集中在其独特的定向渗透现象,随着对Janus膜的深入了解,相关研究正逐渐转向实际应用之中,比如油水分离、酶膜反应器、鼓泡器、膜蒸馏等等。
  来自韩国蔚山国立科技研究所(UNIST)的Sang Kyu Kwak和Sang-Young Lee教授课题组将具有Janus结构的电池隔膜应用于锂离子电池中,相关论文发表在Advanced Functional Materials上。(Janus-Faced, Dual-Conductive/Chemically Active Battery Separator Membranes. Adv. Funct. Mater., 2016, DOI: 10.1002/adfm.201602734)。


图片来源:《先进功能材料(Adv. Funct. Mater.)》


  在锂离子电池中,电池隔膜起到两个主要作用:一是隔绝正极与负极,防止短路;二是提供离子通道。不过在这项工作中,研究者把关注点放在了另外两个问题上。一方面,在反复的充放电过程中,阴极中锂金属氧化物里的重金属离子(如Mn2+、Ni2+、Co2+等)会溶解造成阴极结构变化,以及其迁移到阳极还原成重金属,会导致在循环充放电过程中电池容量的急剧退化,在高温情况下更为显著。另一方面,尽管传统观念认为电池隔膜应该完全绝缘,但是最近对于锂硫电池的研究表明,如果电池隔膜贴近电极的部分如果为导电薄层,则可能有利于电极的电子传导。


图片来源:《先进功能材料(Adv. Funct. Mater.)》


  基于上述背景,研究者们利用了同步电纺/电喷技术制备了具有Janus结构的电池隔膜。电池隔膜由两部分组成,一部分是同步电纺聚乙烯基吡咯烷酮/聚丙烯腈(PVP/PAN)纳米纤维并电喷巯基化的二氧化硅粒子(厚度为25微米),另一部分则是电纺聚醚酰亚胺(PEI)并电喷碳纳米管(厚度为3微米)。制备完成后,他们还通过滚筒热压技术提高两层之间的粘合力。SiO2/PVP/PAN层的二氧化硅粒子表面的巯基能够有效捕获电解液中的重金属离子,而PEI/CNT层则具有较好的导电性(电导率约为4.93S/cm),能够提升阴极表面的电子传导行为。


图片来源:《先进功能材料(Adv. Funct. Mater.)》


  实验结果是显而易见的,相较于传统的聚烯烃电池隔膜,Janus膜在各个方面的性能都有了显著的提升,特别是在解决了重金属离子在阳极表面的沉积问题后,电池在多次循环中的电池容量的下降得到了有效的抑制。
  最后简单的总结一下。Janus膜的一个重要的设计思路就是通过两层不同性质的膜来解决应用过程中的不同问题,这一思路在这篇论文中得到了充分的体现,而在未来的研究中,Janus膜的这一潜力同样可以应用在环境、能源、医疗等领域的各个分支。

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