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  鋰金屬電池具有高能量密度，高開路電壓的優點。然而，鋰枝晶會導致降低鋰金屬電池性能，引起短路甚至起火等安全隱患。傳統聚乙烯/聚丙烯電池隔膜具有大孔徑和低模量，因此不能阻止鋰枝晶生長并最終穿過隔膜（圖1上）。對此，作者提出解決方案：具有介孔和高模量的隔膜可以引導鋰離子流均勻沉積在鋰電極表面，并且防止鋰枝晶生長和穿過隔膜，從而實現鋰金屬電池的安全長時間充放電（圖1下）。

  近日，弗吉尼亞理工學院暨州立大學化學系劉國良，林峰教授團隊制備了具有介孔和高模量的聚酰亞胺薄膜。該薄膜的前驅體為聚乳酸-聚酰亞胺-聚乳酸三嵌段共聚物（圖2a）。其中的聚乳酸相可以280攝氏度下選擇性地熱分解，從而產生互相連通的介孔結構，其平均介孔孔徑為21納米（圖2b and c）。此介孔聚酰亞胺薄膜在室溫下具有1.80 GPa的高儲存模量（圖2d）。在鋰/鋰對稱電池的長時間循環測試中，傳統電池隔膜在約50小時后發生短路。而介孔聚酰亞胺隔膜實現了500小時的安全循環（圖3a）。在循環測試結束后，接觸傳統電池隔膜的鋰電極表面生長出平均寬度為200納米的鋰枝晶，這些鋰枝晶能夠穿過傳統隔膜寬至400納米的大孔而引起短路（圖3b）。而接觸介孔聚酰亞胺隔膜的鋰電極表現出平頂的鋰突起，從而避免了鋰枝晶穿過隔膜引起的短路（圖3c）。這項研究強調了介孔工程聚合物的抗鋰枝晶潛力，作者們希望這種設計能促進高性能儲能技術的進步。該工作以“Mesoporous Polyimide Thin Films as Dendrite-Suppressing Separator for Lithium-Metal Batteries”為題發表在《ACS Nano》上。文章第一作者為弗吉尼亞理工學院暨州立大學化學系郭棟博士，通訊作者為劉國良教授。該研究得到了美國國家科學基金會和美國化學學會石油研究基金會的支持。 

  該工作是劉國良教授團隊將納米材料用于高性能儲能技術的最新進展之一。在過去幾年中，團隊探索了極低分子量聚酰亞胺嵌段共聚物的相分離（Polym. Chem. 2019, 10, 379），并使用水解法和非溶劑致相分離法制備介孔聚酰亞胺薄膜（Poly. Chem.2021, 12, 3939；ACS Appl. Polym. Mater.2020, 2, 1398）。此外，團隊制備了基于聚丙烯腈嵌段共聚物的多級多孔碳纖維(Sci. Adv. 2019, 9, eaau6852)，研究了聚丙烯腈嵌段共聚物組成和靜電紡絲條件對多孔碳纖維形貌和彈性的影響（Chem. Mater. 2019, 31, 8898；Macromolecules 2022, 55, 4803；ACS Appl. Polym. Mater. 2022, 4, 4980），并將此多孔碳纖維用于制備超級電容器和快充鋅離子電池（Nat. Commun. 2019, 10, 675；Batteries Supercaps 2022, 5, e202100380）。

  原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.3c04159