Advanced Science:嵌段共聚物选择性溶胀制备高性能、更安全的锂离子电池隔膜

锂离子电池以高能量密度、优异的充放电循环性能、低记忆效应等优点,在便携式电子设备、电动汽车、大型电源和储能设备中得到了广泛的应用。隔膜作为锂离子电池的重要组成部分,对锂离子电池的性能影响显著。隔膜可以有效绝缘正负极活性物质的直接接触,避免短路,同时能确保电解液中离子在膜两侧自由迁移。然而,目前商业化聚烯烃隔膜由于孔隙率低、浸润性差和吸液率低等不足,严重制约了锂离子电池的进一步发展。同时,聚烯烃隔膜热稳定性较差,在高温下易发生收缩,导致电池短路,引发严重的安全问题。

南京工业大学汪勇教授课题组设计了一种由高强度、亲电解液的聚砜(PSF)、亲Li+的聚乙二醇(PEG)通过强共价键连接的嵌段共聚物(SFEG),借助前期发展的选择性溶胀致孔方法(Acc. Chem. Res. 2016, 49, 1401-1408),制备了高性能SFEG锂离子电池隔膜(图1)。SFEG隔膜有效地集成了PSF和PEG的优点,赋予隔膜良好的浸润性和热稳定性(图2)。同时,当温度上升至125°C时,隔膜的多孔结构闭合,使锂离子电池具有热关断能力。在室温下,SFEG隔膜的电解液吸液率高达501%,离子电导率为10.1 mS/cm。这些关键性能指标均优于传统聚丙烯隔膜(Celgard 2400)。使用SFEG隔膜组装的锂离子电池放电容高于Celgard 2400,并展现出优异的循环性能(图3)。

该工作发展了一种全新的锂离子电池隔膜制备策略,即通过设计双功能组分的嵌段共聚物,进行选择性溶胀成孔,获得了高性能和更安全的锂离子电池隔膜。同时,该方法亦有望用于制备其他类型电池的隔膜材料。

图1 基于选择性溶胀致孔的SFEG隔膜:(a)分子结构;(b)SFEG的选择性溶胀致孔过程及其作为LIB隔膜的示意图;(c-e)表面和断面的形貌结构

图2 SFEG隔膜和Celgard 2400隔膜的物化性质:(a)浸润性;(b)吸液率;(c)热稳定性;(d)热收缩率

图3 由SFEG隔膜和Celgard 2400隔膜组装LIB电化学性能:(a)交流阻抗;(b)LSV曲线;(c)循环充放电性能;(d)不同放电速率条件下的放电容量

相关论文近期发表在Advanced Science上,题为“Design of Block-Copolymer Nanoporous Membranes for Robust and Safer Lithium-Ion Battery Separators”(DOI : 10.1002/advs.202003096)。论文通讯作者为汪勇教授。杨浩博士(现就职于烟台大学)、史贤松博士为共同第一作者。研究成果得到了国家自然科学基金(No. 21776126, 21825803)等项目资助。