氨基酸修饰双功能隔膜在锂硫电池中的穿梭效应抑制与锂金属稳定化研究

本文创新性地采用带正电的氨基酸（L-精氨酸，Arg）修饰商业聚丙烯（PP）隔膜，构建了具有纳米复合夹层（Arg-PAA/CNF）的双功能隔膜（A-PC@PP）。该设计通过Arg的胍基与聚丙烯酸（PAA）的协同作用实现多硫化物（Li2Sx）的双重锚定，同时调控Li+通量抑制枝晶生长，使锂硫电池在5 A/g高电流密度下仍保持>530 mAh/g的优异倍率性能，500次循环容量衰减率仅0.068%/cycle。

　　

【引言】

锂硫（Li-S）电池因其高达2600 Wh/kg的理论能量密度和环保特性备受关注，但多硫化物（Li₂S_x）的穿梭效应和锂枝晶生长严重制约其商业化进程。传统策略如碳宿主封装虽能物理限制多硫化物，却无法解决锂负极体积变化和"死硫"形成问题。近期，天然蛋白质因其丰富的极性基团和离子传输功能成为隔膜改性新选择，而作为蛋白质基本单元的氨基酸（如L-精氨酸，Arg）更具备加工简便的优势。

【实验设计】

研究团队通过真空过滤法在Celgard 2400隔膜表面构建纳米复合夹层（A-PC），由Arg、聚丙烯酸（PAA）和碳纳米纤维（CNF）组成。其中Arg的胍基（-HNC(NH₂)₂⁺）与PAA的羧基（-COO^-）通过静电作用形成稳定网络，同时作为表面活性剂促进CNF分散。优化后的A-PC@PP隔膜夹层厚度约54 μm，孔隙率达76.2%，电解液接触角低至6.0°，显著优于传统PP隔膜（接触角51.5°）。

【作用机制】

1. 1.

   多硫化物双重锚定：Arg的胍基化学吸附S_x^2-阴离子，PAA的羰基（C=O）配位Li⁺阳离子，协同抑制穿梭效应。H型管实验证实A-PC@PP能有效阻隔Li₂S₆扩散。

2. 2.

   离子传输调控：Arg通过"锁定"TFSI^-阴离子实现Li⁺解耦传输，使离子电导率达1.16 mS/cm。对称电池测试显示其在2 mA/cm²高电流密度下过电位最低。

3. 3.

   锂金属稳定：残留的Arg-PAA功能团（FTIR检测到1715 cm^-1羧基峰和1655 cm^-1胍基峰）均匀化Li⁺通量，使Li|Cu电池库伦效率稳定在80%以上达69次循环，SEM显示循环后锂负极表面形成光滑无枝晶的结节状沉积。

【电化学性能】

Li₂S成核测试显示A-PC@PP的Li₂S沉积容量达659.0 mAh/g，是PP隔膜的3.5倍。在0.5 A/g循环500次后，电池容量保持602 mAh/g（衰减率0.068%/cycle），优于PC@PP（0.083%/cycle）和PP（0.098%/cycle）。即使在高硫载量（3.1 mg/cm²）和贫电解液（6 μL/mg_S）条件下，仍能实现1138 mAh/g的初始容量。

【结论】

该研究开创性地将生物分子Arg应用于隔膜改性，通过"一石三鸟"策略同步解决硫正极和锂负极的关键问题。相较于传统蛋白质材料，氨基酸修饰策略更易规模化生产，为开发高性能锂硫电池提供了绿色化学新思路。未来研究可进一步优化Arg与其他生物大分子的复合体系，探索其在固态电解质中的应用潜力。