英文原题：Cationic Covalent Organic Framework Modified Polypropylene Separator for High-Performance Lithium Metal Battery
通讯作者：童永芬，南昌航空大学环境与化学工程学院
作者： 钟涓淇, 童永芬，过林，张爱琴，许秋华， 秦元成
背景介绍
锂金属电池的高能量密度和比容量使其在储能领域备受关注，然而锂枝晶的不受控生长限制了其实际应用。因此，抑制锂枝晶一度成为锂金属电池研究领域的一大热点。隔膜作为电池的重要组成元件，不仅能给锂离子的传输提供通道，还能避免电池正极和负极直接接触造成电池短路而引起的一系列安全问题，还给锂离子的传输提供了通道。然而，现有的商业化聚丙烯/聚乙烯隔膜存在电解质润湿性低、离子选择性差的缺点，对抑制锂枝晶的生长不具有相应的优势。因此将具有特定功能的材料作为涂层对隔膜进行改性可以赋予隔膜相应的功能，提高隔膜对电解液的润湿性以及对锂离子的选择性，促进稳定界面层（SEI）的形成（图1）。
图1. 锂离子和溶剂分子在原始 PP 隔膜（左）和 功能化隔膜（右）中穿梭的示意图。
文章亮点
近日，南昌航空大学童永芬副教授在ACS Applied Materials & Interfaces上发表了富咪唑阳离子COF改性锂金属电池隔膜提高界面稳定性的研究。该文章通过在商业化PP隔膜上修饰富含多个咪唑位点的COF材料，利用其带正电的框架吸引带负电的溶剂簇，帮助锂离子从溶剂簇中解离出来，加快锂离子在电池内部的传输，减少负极界面的浓差极化，同时利用共价有机框架本身具有的一维有序的通道结构特点，使锂离子均匀化的传输并且沉积在负极表面，从而达到抑制锂枝晶的生长的效果。图2直观的展示了功能化隔膜对稳定电池界面上的较为出色的表现。
图2. （a） 具有不同隔膜的 Li//Li 对称电池在电流密度为 0.4 mA cm-2 和 0.4 mAh cm-2 时的电压-时间曲线。（b） 不同隔膜的 Li//Li 对称电池在 0.2~0.5mA cm-2 和 0.2~0.5mAh cm-2 电流密度下的电压-时间曲线。（c） 不同溶剂种类和阳离子COF片段对Li+的模拟吸附能曲线。分别以 （d） TFSI-COF@PP、（e） Br-COF@PP 和 （f） PP 作为隔膜的 Li//Li 对称电池循环后的 Li 负极的 SEM 图像。
在经过了长达600h的Li//Li对称循环后，通过对电池电极界面成分进行XPS分析可以看出（图3），使用功能化隔膜的电池在锂金属负极界面中形成的SEI层的主要成分为LiF和碳酸锂等对界面稳定性有利的无机成分，而使用商业化PP隔膜的电池界面检测到了大量的有机锂化合物，这种化合物成分不利于锂离子的穿梭且不利于界面稳定性，因此会极大影响电池的安全性和使用寿命。
图3. 使用不同分离器对 Li//Li 对称池进行 160 次循环后的 XPS 分析 （a） F 1s 光谱、（b）Li 1S 光谱、（c） C 1S 光谱、（d） O 1S 光谱。
总结/展望
研究团队将富含咪唑阳离子的COF材料作为电池隔膜的功能化涂层，有效提高了隔膜对锂离子的选择性，促进了均匀的SEI层的形成，提高了电池的界面稳定性。使用TFSI-COF@PP的电池负极展示出较为致密的表面，且电池的循环稳定性得到了明显的提升。在0.5C的条件下循环100次具有82%的容量保持率，是传统PP隔膜的两倍。这为提高锂金属电池界面稳定性提供了新的思路。
相关论文发表在ACS Applied Materials & Interfaces上，南昌航空大学研究生钟涓淇为文章的第一作者，童永芬副教授为通讯作者。
通讯作者简介
童永芬 副教授
童永芬：南昌航空大学环境与化学工程学院副教授，一直围绕固态和准固态聚合物电解质的制备及其锂金属电池性能开展研究
电子邮件：tongyongfen@nchu.edu.cn.
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ACS Appl.Mater.Interfaces 2024, 16, 41, 56106–56115
Publication Date: October 7, 2024
https://doi.org/10.1021/acsami.4c11328
Copyright © 2024 American Chemical Society
Editor-in-Chief
Xing Yi Ling
Nanyang Technological University
Deputy Editor
Peter Müller-Buschbaum
Technische Universität München
ACS Applied Materials & Interfaces为化学家、工程师、物理学家和生物学家等的跨学科领域提供服务，重点探索如何具体应用开发新材料和研究界面过程
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