Advanced Materials:相变潜热调温隔膜 —— 提升锂离子电池安全性的新思路

锂离子电池被广泛应用于电动汽车、电子设备等日常生活领域,安全问题已成为其向高能量、多领域发展的主要障碍。在滥用(例如机械、电气或热滥用)或极端条件下,热量累积是导致锂离子电池安全问题的根本原因。当电池内部积累的热量无法及时消散时,锂离子电池内部的温度会迅速升高,从而导致负极上的固态电解质界面(SEI)分解、隔膜熔化、正极释氧等,最终引发热失控并导致燃烧和爆炸等安全事故。外部热管理系统可对电池运行过程中产生的热量起到一定调控作用,然而其对电池内部的热响应具有延迟风险。因此,将散热功能单元集成至锂离子电池关键组分材料(隔膜、电极材料等),从源头上缓解电池内部的热量累积,可有效提升锂离子电池的安全性。

近日,华中科技大学胡先罗教授课题组采用静电纺丝技术成功制备出一种具有同轴结构的相变调温隔膜,以原位吸收电池内产生的热量。该工作选取具有合适熔点(≈45 °C)和极大潜热(≈240 J g−1)的石蜡(PW)作为相变吸热材料,选择具有较高热稳定性、高孔隙率和良好电解液浸润性的聚丙烯腈(PAN)作为纤维壳层材料,制得的PW@PAN相变储热同轴纳米纤维具有较宽的焓值范围 (0~135.3 J g−1)。在电池滥用条件下,其内部产生的热量会刺激隔膜内部的石蜡熔化进而吸收大量的热量,防止热失控的发生。通过针刺实验模拟了软包电池的内部短路,结果表明基于PW@PAN相变隔膜的电池在35秒内迅速冷却至室温,展现了优异的调温功能。此外,PAN纤维外壳阻止了石蜡与电解液的直接接触,使其在引入相变散热功能的同时仍能保持优异的电化学性能。该相变调温隔膜为锂离子电池过热保护和提升安全性提供了新思路,具有潜在的应用前景。

论文信息:

Thermoregulating Separators Based on Phase-Change Materials for Safe Lithium-Ion Batteries

Zhifang Liu, Qiaomei Hu, Songtao Guo, Le Yu, Xianluo Hu*

Advanced Materials

DOI: 10.1002/adma.202008088