Advanced Functional Materials:只冒烟不起火电池——基于耐热阻燃双功能隔膜的设计策略

随着新能源电动汽车的快速发展,人们对锂离子电池的续航能力和安全性能提出了更高的要求。由于较高的理论比容量(274mAh/g),高镍三元正极材料被认为是提高电池续航能力的有效途径之一。然而其安全性较差,会在较低的温度下(180-250℃,相对磷酸铁锂的300℃以上)释放活性氧。活性氧会与电池内可燃物发生剧烈放热反应,从而使电池温度急剧升高,进一步引发一系列不可控的放热副反应,最终导致电池发生燃烧爆炸。近年来频发的自燃事故,给新能源电动汽车的发展带来了巨大的挑战,消除消费者对电动汽车的安全顾虑是一个亟待解决的难题。

厦门大学化学化工学院赵金保课题组在先前高耐热性陶瓷隔膜的基础上,进一步修饰阻燃功能涂层, 设计了一种兼顾高耐热性和阻燃功能的双功能陶瓷隔膜,并以此开发了“只冒烟,不起火”的高安全三元锂离子电池。相关成果在线发表在Advanced Functional Materials(DOI: 10.1002/adfm.202008537)上。

该研究工作,设计了一种兼顾高耐热性和阻燃功能的双功能陶瓷隔膜(APP-CCS@PFR)。高耐热性基膜可以有效防止电池在高温下发生内短路,并且为阻燃功能涂层提供热支撑层。阻燃功能涂层会在高温下分解生成致密的保护层,将正极释放的活性氧与电池内可燃物隔离,同时将电池内的易燃物碳化,形成不易燃的焦炭层,从而将剧烈的燃烧放热反应转化为温和的逐步放热反应。因此,装配APP-CCS@PFR的电池可以在燃烧测试、高温测试、针刺实验及绝热加速量热测试的极端滥用条件,仍旧保持优异的安全性能,只冒烟,不起火。该工作揭示了通过在高温下形成致密隔离层,抑制氧气、热量和可燃气体的扩散,从而打破“火三角”,可以有效防止电池发生剧烈燃烧,为高安全高比能电池的设计提供了一种新的策略。