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原创科普|新型耐高温锂离子电池隔膜

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【摘要】:
电池是人们日常生活中会常常用到的物品,但它也存在安全隐患。当前电池用的隔膜主要是聚烯烃类有机隔膜,此类隔膜对电解液的润湿性较差,孔隙率较低,热稳定性差,在较高温度时容易收缩或熔融导致电池短路,严重时可引发起火或爆炸等事故,存在安全隐患。中科院上海硅酸盐研究所朱英杰研究员科研团队研制出一种“新型耐高温锂离子电池隔膜”,可以有效解决此类安全问题,让大家一起来了解一下吧。

“新型无机耐火纸”科普系列(五)

 新型耐高温锂离子电池隔膜

 

导读

电池是人们日常生活中会常常用到的物品,但它也存在安全隐患。当前电池用的隔膜主要是聚烯烃类有机隔膜,此类隔膜对电解液的润湿性较差,孔隙率较低,热稳定性差,在较高温度时容易收缩或熔融导致电池短路,严重时可引发起火或爆炸等事故,存在安全隐患。中科院上海硅酸盐研究所朱英杰研究员科研团队研制出一种“新型耐高温锂离子电池隔膜”,可以有效解决此类安全问题,让大家一起来了解一下吧。

 

2014年,中科院上海硅酸盐研究所朱英杰研究员科研团队在国际上首次提出了新型羟基磷灰石超长纳米线无机耐火纸的概念,从根本上改变了传统造纸的原料,将材料科学、纳米科技、造纸技术多学科交叉结合,创新性地提出采用羟基磷灰石超长纳米线作为纸的原料,在国际上独创发明了新型无机耐火纸,使纸能包住火变成现实。新型无机耐火纸外观上和普通纸相似,柔韧性好,白度高,生物相容性好,环境友好,耐火不燃烧,可耐受1000以上的高温,并且可以书写及彩色打印。该团队发展了油酸钙前驱体溶剂热法,成功地制备出羟基磷灰石超长纳米线,其直径约为10纳米、长度可达100微米到几百微米,其直径比人的头发丝还要小约一万倍,具有良好的柔韧性,是新型无机耐火纸的理想原料。羟基磷灰石超长纳米线可以采用普通化工原料人工合成,不需要消耗树木等宝贵的自然资源,耐火纸的制造过程环境友好,不会对环境造成严重污染,具有良好的可持续性。近几年来,朱英杰团队对新型无机耐火纸进行了系统研究,不断扩展耐火纸的功能和应用领域,研制出多种不同用途的新型耐火纸。在之前系列科普文章中,大家先容了能包住火的神奇耐火纸不惧水火的超级纸新型抗菌耐火纸新型多模式防伪耐火纸。现在让大家一起来了解一种新型耐高温锂离子电池隔膜吧。

 

锂离子电池具有高能量密度、高功率密度和长循环寿命等优点,因而在便携式电子设备例如笔记本电脑、手机、数码相机等产品中得到广泛应用。近年来,随着新能源与清洁能源汽车的快速发展,对新型动力电池与储能电池的性能及其安全性提出了更高的要求。新型电池材料为电池性能和安全性的提升提供了新的机遇和可能性。锂离子电池主要由正极材料、负极材料、隔膜、电解液和封装材料五部分组成。其中,电池隔膜主要起着阻止正负电极直接接触、防止电池短路、传输离子的作用,是保障电池安全并影响电池性能的关键材料。虽然电池隔膜并不直接参与电池的电化学反应,但其性能却影响电池的界面结构、内阻等性质,进而影响电池的能量密度、循环寿命和倍率等性能。另外,电池隔膜的热稳定性还决定着电池可以正常工作的温度区间和电池的安全性。

目前商品化的锂离子电池隔膜主要是聚烯烃类有机隔膜,此类隔膜的优点是价格便宜,力学性能好,且具有较好的电化学稳定性;但也存在不足之处,例如:对电解液的润湿性较差,孔隙率较低,热稳定性差,在较高温度时容易收缩或熔融导致电池短路,严重时可引发起火或爆炸等事故,存在安全隐患。

在新型无机耐火纸的研究工作基础上,朱英杰团队与华中科技大学胡先罗教授团队合作,研制出新型羟基磷灰石超长纳米线基耐高温锂离子电池隔膜,该电池隔膜具有诸多优点,例如柔韧性好、孔隙率高、电解液润湿和吸附性能优良、离子电导率高、热稳定性高、阻燃耐火,在700的高温下仍可保持其结构完整性。

力学性能是电池隔膜的一个重要参数。理想的电池隔膜应具备足够高的力学强度,可以承受电池卷绕过程中所施加的外力,还应具有较高的柔韧性。新型羟基磷灰石超长纳米线基耐高温锂离子电池隔膜具有良好的力学性能,柔韧性高,可以卷绕、弯折、甚至团曲,没有观察到明显的破损,可以满足实际的应用需求。

   新型耐高温电池隔膜具有良好的柔韧性和力学强度

 

电池隔膜对电解液的浸润特性可以影响电池的性能,尤其是高功率电池对隔膜浸润性的要求很高。新型羟基磷灰石超长纳米线基耐高温锂离子电池隔膜具有多孔结构和高孔隙率(~81%),对电解液具有优异的浸润性能和高吸附量(~253%)。实验显示,新型羟基磷灰石超长纳米线基耐高温锂离子电池隔膜在滴加电解液后5秒之内,电解液就被吸附进入隔膜内部,其对电解液的接触角接近0o,对电解液表现出优良的亲和性能。然而,采用商用聚丙烯电池隔膜,在隔膜表面滴加电解液90秒后,电解液滴仍停留在隔膜表面,且具有约65度的接触角。

 

新型羟基磷灰石超长纳米线基耐高温锂离子电池隔膜对电解液具有优异的浸润和吸附性能

 

新型羟基磷灰石超长纳米线基耐高温锂离子电池隔膜具有优异的耐高温和阻燃耐火特性。实验表明,新型耐高温电池隔膜在火焰中不燃烧,而且可以保持完整的结构,显示出优异的阻燃耐火特性。而商用聚丙烯电池隔膜在置于酒精灯火焰上之后,迅速起火并烧成灰烬。在高温下的隔膜尺寸稳定性实验表明,在较高温度下商用聚丙烯隔膜的热收缩较大,在150时变为透明失去隔膜作用;而新型耐高温电池隔膜具有高的热稳定性,即便是在200加热其尺寸也未发生明显变化。

 

新型耐高温锂离子电池隔膜具有优异的耐高温和阻燃特性

新型耐高温锂离子电池隔膜具有高的热稳定性,其尺寸在高温下加热也未发生明显变化 

采用新型羟基磷灰石超长纳米线基耐高温锂离子电池隔膜组装的电池比用聚丙烯隔膜组装的电池具有更好的电化学性能、循环稳定性和倍率性能,而且具有优异的热稳定性,可耐高温,在150高温环境中能够保持正常工作状态,并点亮小灯泡;而采用商用聚丙烯隔膜组装的电池在150高温下很快发生短路而损坏。

 

与聚丙烯隔膜(PP)相比,采用新型耐高温电池隔膜(HAP/CF)组装的全电池具有更高的比容量和更稳定的循环性能

 

 

   

   采用新型耐高温电池隔膜(HAP/CF)组装的电池在150高温环境中能够保持正常工作状态,并点亮小灯泡;而采用商用聚丙烯隔膜(PP)组装的电池在150高温下很快发生短路而损坏。

 

可以预期,如果采用新型羟基磷灰石超长纳米线基耐高温电池隔膜,再匹配可耐高温的电解液和电极材料,可以进一步大幅提高电池的工作温度和安全性。新型羟基磷灰石超长纳米线基耐高温电池隔膜对大幅提高锂离子电池的工作温度范围和锂离子电池的安全性具有重要的意义,具有良好的应用前景。预期该新型羟基磷灰石超长纳米线基耐高温电池隔膜还可以应用于多种其它类型的耐高温电池和储能体系,例如钠离子电池、超级电容器等。

相关研究结果发表在国际权威学术期刊《先进材料》(Advanced Materials, 29, 1703548 (2017),影响因子21.950),并申请一项发明专利。此外,中国科学报等多家媒体对相关研究工作做了报道。

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