成果簡介鋰-硒（Li-Se）電池具有與鋰-硫（Li-S）電池相當的高容量，而Se的電導率比S高~1025倍，有利于高倍率容量。然而，它們也受到多硒化鋰（LPSes）的“穿梭效應”和Li枝晶生長的影響。基于此，南京大學胡征教授、楊立軍副教授和吳強教授（共同通訊作者）等人報道了通過在商用聚丙烯（PP）隔膜的兩側涂覆hNCNC和AlN網絡，構建了一種多功能Janus隔膜（記為hNCNC-PP-AlN）。在室溫（25 ℃）下，使用Janus隔膜的Li-Se電池表現出創紀錄的高倍率性能（25 C時為331 mAh g-1），并在3 C下循環500次后保持408?mAh g-1的高容量。此外，在-30 °C至60 °C的寬溫度范圍內實現了高保留容量，顯示了在極端環境下的潛在應用。這種優異的性能源于正極側hNCNC的化學吸附和電催化抑制LPSes穿梭和負極側導熱AlN-網絡抑制Li枝晶生長的“1+1＞2”協同作用，可用“桶效應”很好地解釋。總之，這種Janus隔膜為開發高性能鋰-硫族（Se、S、SeS2）電池提供了一種通用策略。
研究背景在眾多候選電池中，鋰-硫（Li-S）電池因其較高的理論能量密度而備受關注。作為S的同系物，Se具有與S相當的高容量，而導電性比S高約1025倍，從而實現更快的動力學和更好的倍率性能。然而，Li-Se電池也面臨著與Li-S電池類似的障礙，特別是正極可溶性多硒化鋰（LPSes）的穿梭效應和負極Li枝晶的生長，導致容量損失快，倍率性能差。近年來，研究發現分級N摻雜碳納米籠（hNCNC）不僅具有常規的化學吸附，還具有電催化多硫化物轉化的功能，而在隔板上的導熱AlN-網絡可通過均勻化Li沉積來有效抑制Li枝晶。作者猜測，這兩種功能材料的協同作用將極大提高Li-Se電池的性能。圖文導讀合成與表征hNCNC-PP-AlN隔膜是通過在PP隔膜一側真空過濾AlN納米線，并在另一側液滴涂覆hNCNC而制備的。hNCNC是典型的三維分層結構，具有1064 m2?g?1的高比表面積和7.69 at.%的氮含量。AlN層是多孔網絡，由直徑為20-50 nm的交錯AlN納米線組成。hNCNC和AlN納米線的兩種涂層緊密覆蓋在PP的兩側，厚度分別為~17 μm和~4 μm。制備的hNCNC-PP-AlN可以承受反復折疊，表明涂層與PP基材之間具有良好的附著力。圖1. hNCNC-PP-AlN隔膜的制備與表征電化學性能在室溫（25 ℃）下，含hNCNC-PP-AlN的電池在所有電流密度下的比容量均最高，并且隨著倍率的增加，容量的提高越來越明顯。具體而言，在0.5 C下，初始放電容量為652 mAh g?1，接近理論容量（675 mAh g?1），表明Se的利用率很高。經過10次循環后，在0.5 C下比容量穩定在593 mAh g?1。即使在25 C的超高倍率下，它仍然提供331 mAh g?1的高容量，遠遠大于使用hNCNC-PP、PP-AlN和PP隔膜的情況。當電流密度恢復到0.5 C時，容量保持在539 mAh g?1，表現出高可逆性，遠優于其它三個電池的情況。含有hNCNC-PP-AlN的電池也表現出最好的循環穩定性，在3 C下保持408 mAh g?1的容量，在500次循環后保持434 mAh g?1的容量，明顯優于使用其他隔膜的電池，并且在25 C下循環1000次仍然提供275 mAh g?1的容量。含有hNCNC-PP-AlN的電池在0、-10和-20 °C時的比容量分別為574、548和481 mAh g-1，即使在-30 °C的超低溫度下也能提供163 mAh g-1。當恢復到0 ℃時，比容量可恢復到549 mAh g?1，為初始容量的95.6%。當溫度升高到10、20、30和40 ℃時，電池的比容量分別為568、581、575和539 mAh g?1，即使在60 ℃的超高溫度下，電池的比容量也保持在511 mAh g?1。使用hNCNC-PP-AlN的電池在循環400次后，在50 °C（3 C）和-15 °C（1 C）下的比容量分別為379 mAh g?1和265 mAh g?1，明顯優于使用其他隔膜的電池。圖2. 不同隔膜的Li-Se電池的電化學性能增強機制將hNCNC浸泡在Li2Se6溶液中3 h，棕色溶液幾乎無色，與Li2Se6峰在UV-Vis譜中的吸光度大大降低一致，說明hNCNC對LPSes具有較強的吸附能力，導致涂覆hNCNC的隔膜對LPSes的穿梭具有較強的阻斷作用。自放電實驗發現，在靜態和操作條件下，hNCNC-PP對LPSes具有良好的化學吸附和阻斷作用，而另一側帶有AlN的hNCNC-PP-AlN進一步增強了這種能力。此外，hNCNC對LPSes轉化為Li2Se有顯著的催化促進作用，即使在0 °C時，hNCNC仍然可以增強Li2Se成核動力學。圖3. 在正極側hNCNC對LPSes的化學吸附和電催化使用hNCNC-PP-hNCNC的電池的過電位在初始循環（＜500 h）時相當小，但在不超過600 h時呈指數增長至500 mV以上，結果表明hNCNC可在一定程度上抑制Li枝晶的生長。AlN-PP-AlN的電池表現出較小的過電位和超過2000 h的長期穩定循環，表明AlN層對Li負極具有出色的穩定性。在0 °C下，AlN-PP-AlN的電池仍表現出更低的過電位和更長的循環壽命，結果表明AlN有效地抑制了Li枝晶的生長。此外，AlN層還可以促進Li離子的快速運輸，以獲得高倍率的Li金屬負極，并吸附穿梭到負極側的LPSes，防止Li腐蝕。圖4. AlN對Li枝晶的抑制作用“1+1>2”的協同效應使用hNCNC-PP-AlN Janus隔膜可同時抑制LPSes的穿梭和Li枝晶生長。簡而言之，正極的hNCNC層通過化學吸附和電催化有效地抑制了LPSes的穿梭，而負極的AlN層可以實現無枝晶的電鍍和高倍率Li金屬負極的Li離子的快速運輸。對于PP-AlN，電池性能（桶中的水位）受到正極（最短板）上穿梭的LPSes的限制。使用hNCNC-PP，在抑制LPSes穿梭后，電池性能得到了很大提高，但Li負極仍然受到枝晶（第二短板）的影響，阻礙了電池達到最佳性能。使用hNCNC-PP-AlN，通過抑制穿梭效應和枝晶（兩個短板同時補上），達到電池性能的最高水平，顯示出“1+1>2”的協同效應。
圖5. hNCNC-PP-AlN隔膜對Li-Se電池性能的增強機理
文獻信息High-rate Lithium-Selenium Batteries Boosted by A Multifunctional Janus Separator Over A Wide Temperature Range of -30 to 60°C.?Adv. Mater.,?2023, DOI: https://doi.org/10.1002/adma.202304551.
