【​中国青年报客户端】中国科大仿珍珠母层隔膜提升锂电池抗冲击性能 2019-11-15

中国青年报客户端讯 (中国青年报·中国青年网记者 王磊 王海涵 通讯员 杨凡)中国科学技术大学姚宏斌、倪勇和俞书宏研究团队受自然界珍珠母层具有高韧性的启发,运用仿生学原理构建仿珍珠母层隔膜以有效保护锂电池并降低安全隐患。该研究成果于近日在线发表于国际材料领域顶级期刊《先进材料》上。

在商业化锂电池中,多孔的聚烯烃因其优异的电化学稳定性而被广泛地用做锂离子电池隔膜。作为电池正负极之间防止短路的隔绝层,聚烯烃内部的多孔结构有利于电池在充放电过程中的锂离子通过,但也导致了隔膜较差的机械性能。

尤其是当隔膜受到外部的局部冲击时,其内部孔结构必然会产生畸变导致开裂和部分孔关闭,从而影响锂电池的性能和安全性。为改善锂电池的性能,目前业界广泛使用陶瓷纳米颗粒涂层来提高聚烯烃隔膜的热稳定和对电解液的浸润性,然而受力分析表明,纳米颗粒涂层很难有效的抵抗局域化的外力冲击作用,其必然会导致电池内部在充放电过程具有不均匀的锂离子流,引发电极上不均匀的锂沉积甚至导致锂枝晶的生成。

为解决这一难题,中国科大的研究团队在深刻理解自然界珍珠母层高韧性原理基础上,在聚乙烯隔膜表面构建仿珍珠层的“砖泥”有序结构。在受到外力冲击时,仿珍珠母涂层通过片片滑移的作用,有效扩大受力面积,耗散冲击的应力,从而有效保护了隔膜内部孔结构,维持电池内部均匀的锂离子流。

据介绍,相对于使用商业陶瓷隔膜的软包电池,采用仿珍珠层隔膜的软包电池在冲击时表现出较小的开路电压变化和较好的循环稳定性以及高的安全性。

为进一步证实仿珍珠母层隔膜对商业化电池安全性的作用,研究团队对两种隔膜组装的软包电池进行冲击试验。与使用商业纳米颗粒涂层隔膜的软包电池相比,运用仿珍珠母层隔膜的软包电池显示出更低的瞬时开路电压变化和更快的电压恢复。

研究结果表明,仿珍珠母层隔膜对电池具有良好的保护作用并且可以有效地降低许多安全隐患。该研究成果提出了构建仿珍珠层增韧隔膜的策略,并从理论模拟和实验测试上证明其提升锂电池抗冲击的能力,这将为今后提升锂电池的安全性开辟新途径。

图为商业陶瓷纳米颗粒涂层隔膜和仿珍珠母层隔膜受到冲击后的应力分析 中国科大供图

使用商业陶瓷纳米颗粒涂层隔膜和仿珍珠母层隔膜组装的电池的电化学性能对比 中国科大供图


中国青年报客户端 2019-11-13

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