DOI:10.1016/j.cej.2020.126542

金属锂有望成为下一代电能储存的负极材料，但树枝状和苔藓状锂的不可控生长极大地限制了锂金属电池的实际应用。在此，研究者展示了一种可持续的策略，通过同轴静电纺丝技术创建兼具硬度和韧性的核-壳结构聚酰亚胺@氟化聚间苯二甲酰间苯二胺（PI@F-PMIA）纳米纤维隔膜。具有良好耐热性和断裂韧性的PI芯层可作为稳定且有力的骨架支撑，即使当电池处于潮湿的工作环境中，也可确保PI@F-PMIA隔膜的结构稳定性。同时，凝胶F-PMIA壳层可以使PI@F-PMIA膜与电解质有更紧密的接触，进一步增强电解质的亲和力，从而提高离子传输能力。因此，所制备的PI@F-PMIA纳米纤维膜具有良好的润湿机械柔性、可称赞的热稳定性、优异的电解质吸收能力以及独特的凝胶化相等同步特性，能够克服锂枝晶生长的障碍并实现均匀稳定的电解液界面。结果表明，通过使用功能化的PI@F-PMIA隔膜，可以获得良好的离子电导率和界面相容性，并且在2.0 mA·cm-2下的350小时内，相关的锂对称电池的电压产生了相对较小的变化。更重要的是，组装好的基于PI@F-PMIA的锂金属电池具有出色的循环稳定性，在0.5C的速率下经过200次循环后，容量保持率为83.1％，库仑效率为99.7％，并具有优异的速率恢复能力。因此，具有柔性和强度的新型PI@F-PMIA纳米纤维膜是高安全性和可防止锂枝晶生长的锂金属电池的优质隔膜。

图1.功能化PI@F-PMIA隔膜的制备以及电池组装过程的示意图。

图2.a）PAA@F-PMIA纳米纤维膜的典型SEM图像；b）PI@F-PMIA，c）PI，d）F-PMIA膜的SEM图像及其相应的纤维直径分布；e-f）PI@F-PMIA纳米纤维膜的TEM图像。

图3.a）PAA@F-PMIA和PI@F-PMIA膜的FTIR光谱；b）PI、F-PMIA和PI@F-PMIA纳米纤维膜的FTIR光谱；c-d）PI、F-PMIA和PI@F-PMIA膜在c）干燥状态下和d）潮湿状态下的应变-应力曲线。

图4.a-d）一滴液体电解质在3秒钟内（a1：Celgard，b1：PI，c1：F-PMIA和d1：PI@F-PMIA）和6秒内（a2：Celgard，b2：PI，c2：F-PMIA和d2：PI@F-PMIA）在PI、F-PMIA和PI@F-PMIA膜上的接触角；e）Celgard、PI、F-PMIA和PI@F-PMIA膜的电解质吸收率和孔隙率；f）Celgard、PI、F-PMIA和PI@F-PMIA纳米纤维膜的DSC曲线；g）浸入液体电解质中的g1）PI、g2）F-PMIA和g3）PI@F-PMIA膜的SEM图像。

图5.a）Celgard、PI、F-PMIA和PI@F-PMIA膜的阻抗谱和b）电化学窗口图；c）具有Celgard和PI@F-PMIA隔膜的锂对称电池在2.0 mA·cm-2和2.0 mAh·cm-2下的电压曲线；d）具有不同隔膜的电池在各种C速率下的倍率性能；e-f）用e）Celgard和f）PI@F-PMIA隔膜组装的锂金属电池在不同C速率下的放电曲线；g）使用Celgard、PI、F-PMIA和PI@F-PMIA隔膜的锂金属电池的寿命周期试验和0.5C下的库仑效率。

图6.a）所制备的功能化PI@F-PMIA隔膜在工作的锂金属电池中的锂离子迁移和阳极保护示意图；b）在200次循环后，从由b1）Celgard、b2）PI、b3）F-PMIA和b4）PI@F-PMIA隔膜组装的锂金属电池中拆卸下来的锂金属阳极的表面形态。