Small:安全锂离子电池隔膜的研究进展

锂离子电池(LIBs)具有能量密度高、自放电速率慢和电池寿命长等优点,是一种集可再生资源和大功率应用于一体的新型储能装置。隔膜作为电池中的关键部件之一,一方面隔离电池正负极,避免两者因直接接触而发生自放电甚至是短路;另一方面让锂离子通过,承担正负极间离子流通通道。隔膜的性质,例如,厚度、机械(拉伸)强度、润湿性、电极/电解质界面稳定性以及高温性能极大的影响了电池的运行状态,包括循环稳定性、倍率性能和安全性等。传统的聚烯烃隔膜由于其较差的吸液率与热稳定性,以及与易燃有机电解质间的安全问题进一步限制了电池在高温领域的发展。因此,开发先进的具有足够热稳定性的隔膜是实现电池在高温条件下依然具有高容量、长循环寿命的关键。

近期,哈尔滨工业大学何伟东教授在能源领域国际著名期刊Small上发表重要成果,系统总结了团队近年来在高温电池隔膜领域所取得的突破与进展。作者详细论述了电池隔膜所应具有的可靠参数以及表征方法,并探讨了基于不同材料体系与制备工艺对隔膜性能的影响。首先作者详细比较了Polypropylene/ polyethylene (PP/PE) 与poly(vinylidene fluoride-hexafluoropropylene) (PVDF-HFP)在物理化学性质上的差异,通过“相转换法”在分子层面设计了基于PVDF-HFP改性的复合聚合物隔膜。通过过渡金属氧化物(如LaO、SiO2、AlO3、CuO、TiO2等)与PVDF-HFP链间较强的范德华力相互作用,显著提升了聚合物隔膜的热稳定性和机械性能。另一方面,基于LLZTO/MOO3的复合双层聚合物隔膜由于MoFx与LaFx的生成,被证实具有明显的阻燃效果,明显增强电池在高温运行下的稳定性。其次,作者通过电泳体系(electrophoretic deposition, EPD)设计了可以在不使用表面活性剂地前期下,快速高效地制备高质量且具有空间3D叠层结构的隔膜,得到纳米结构的PVDF-HFP隔膜具有高机械强度、延展性和热稳定性。最后,作者指出了该领域目前面临的挑战以及潜在的研究方向。

相关工作以 “Recent Development in Separators for High-Temperature Lithium-Ion Batteries”为题在线发表在Small上(DOI: 10.1002/smll.201901689) 。