DOI: 10.1016/j.mtphys.2022.100676

LiMn2O4基锂离子电池（LIBs）因其成本优势而备受关注，但在使用LiPF6基碳酸盐电解质的循环过程中，尤其是在高温（55℃）循环条件下，大幅度的容量下降阻碍了其工业应用。本研究展示了一种双功能、Janus型无机-有机杂化隔膜，以确保LiMn2O4||石墨LIBs的长期循环可逆性。整体式全纳米隔膜由静电纺丝制备的聚间苯二甲酰间苯二胺纳米纤维底层和互穿羟基磷灰石/细菌纤维素纤维顶层构成。受益于这种独特的Janus结构，形成的隔膜在功能上表现出协同耦合，同时清除痕量酸并缓解电池中Mn2+离子的溶解/沉积。因此，与采用商用聚烯烃隔膜的传统电池相比，采用Janus隔膜的电池在55℃下可循环超过100次，容量保持率较高。此外，整体结构和表面化学表征证实，LiMn2O4正极中不可逆的结构变化是可以避免的，并且Janus隔膜电池石墨负极上的锰含量得到了抑制。这项工作表明，复合Janus型全纳米隔膜为高度耐用的LiMn2O4基LIBs提供了一条意想不到的途径。

图1.Janus隔膜的相信息和微观形貌。（a）制备的HAP纳米纤维的XRD图谱。（b）HAP/BC和PMIA层的FT-IR光谱。Janus隔膜的SEM图像：（c）顶部、（d）底部和（e）横截面视图。

图2.Janus隔膜的力学和物理化学表征。（a）HAP/BC层、PMIA层和Janus隔膜的应力-应变曲线。（b）隔膜在不同温度下暴露1小时后的热收缩情况。（c）滴加一滴液体电解质后隔膜在不同时间点的接触角图像。

图3.电化学性能。LMO||Li半电池在（a）28℃和（b）55℃下的倍率性能。LMO||Li半电池在（c）28℃和（d）55℃下的循环稳定性。LMO||Gr全电池在（e）28℃和（f）55℃下的循环稳定性。（g）HAP/BC层、PMIA层、PP隔膜和Janus隔膜的恒电流充电/放电电压曲线。（h）电池（I）和电池（II）的循环性能比较，其中HAP/BC层与LMO正极接触（对于电池（I）），PMIA层置于LMO正极（对于电池（II））。

图4.酸清除功能的表征。原始LMO正极（a），以及配备（b）Janus隔膜和（c）PP隔膜的电极在55℃下循环100次后的SEM图像。（d）原始和循环LMO正极在55℃下的XRD图谱。（e）循环后LMO正极表面的Mn2p XPS光谱。

图5.锰离子捕获功能的表征。（a）不同组分的隔膜对Mn2+离子的捕获能力（插图：PMIA@Al2O3纳米纤维的TEM图像）。（b）全电池石墨负极在55℃下循环100次后的EDX光谱和微观结构比较。在电池形成和延长循环后，配备（c）PP隔膜和（d）Janus隔膜的电池的交流阻抗谱变化。