Energy Environ. Sci. 通過聚多巴胺陶瓷和聚烯烴膜復合改性提高鋰離子電池熱性能的一種隔膜的理論設計

【引言】

鋰離子電池由于高能量密度和優良的循環壽命被廣泛用在便攜電子器件中，目前，鋰離子電池在大規模電池應用中也被認為是最具競爭力的能源，如電動汽車和儲能系統。在鋰離子電池中，在允許電池內部離子運輸的同時，隔膜在防止正負極接觸時演繹著重要的角色，鋰離子電池中所用的隔膜主要是微孔聚烯烴隔膜，但是這些隔膜在溫度升高時有很大的熱收縮，從而導致內部短路，引致火災甚至爆炸。為了解決這些問題，找到一種合適的替代材料已經引起了高度關注。

【成果簡介】

近日，廈門大學趙金保教授（通訊作者）團隊理論上通過引入一種有機-無機混合物包覆層復合改性來提高隔膜的熱穩定性和機械穩定性，即聚乙烯隔膜PDA(polydopamine)-SiO₂復合改性的理論設計，用這種隔膜來組裝電池，展現了優良的安全性能，有望在鋰離子電池中得到廣泛應用。

【圖文導讀】

圖1.改性隔膜的合成示意圖

?簡單涂層法合成復合改性隔膜的示意圖

圖2.不同系列的PE(polyethylene)-SiO₂形貌

(a.b)SiO₂顆粒的SEM圖；

(c)原始PE隔膜的照片(左圖)，PE-SiO₂隔膜的照片(中間圖)，PE-SiO₂@PDA隔膜的照片(右圖)；

(d)-(f) PE-SiO₂隔膜的表面和橫截面的SEM圖；

(g)-(i) PE-SiO₂@PDA隔膜的表面和橫截面SEM圖。

圖3.樣品的紅外和能譜圖

(a)f傅里葉變化紅外光譜（FTIR）圖譜； ? ? ? ?(b)能量色散X射線光譜（EDX）圖譜

圖4. PE-SiO₂@PDA的形貌和元素分析

(a) PE-SiO₂@PDA隔膜橫截面的SEM圖; ? ? ? ??(b)Si的元素分析圖；

(c)C的元素分析圖； ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??(d)N的元素分析圖。

圖5.系列樣品的熱性能

(a)原始PE隔膜、PE-SiO₂隔膜和PE-SiO₂@PDA隔膜的熱縮減量隨溫度的變化關系圖；

(b) 原始PE隔膜在經過170℃熱處理30min前后的尺寸；

(c) PE-SiO₂隔膜在經過170℃熱處理30min前后的尺寸；

(d) PE-SiO₂@PDA隔膜在經過170℃熱處理30min前后的尺寸；

(e) PE-SiO₂@PDA隔膜在經過220℃熱處理30min前后的尺寸。

圖6.系列樣品的拉伸性能及形貌

(a)PE-SiO₂隔膜和PE-SiO₂@PDA隔膜的拉伸強度隨溫度的變化關系圖和PDA的DSC曲線；

(b) PE-SiO₂隔膜和PE-SiO₂@PDA隔膜在熱處理前的壓力-張力曲線；

(c) PE-SiO₂隔膜在170℃熱處理后的表面SEM圖；

(d) PE-SiO₂隔膜在180℃熱處理后的表面SEM圖；

(e) PE-SiO₂@PDA隔膜在220℃熱處理后的表面SEM圖；

(f) PE-SiO₂@PDA隔膜在230℃熱處理后的表面SEM圖。

圖7.樣品的接觸角

(a)PE隔膜的接觸角圖；

(b) PE-SiO₂隔膜的接觸角圖；

(c) PE-SiO₂@PDA隔膜的接觸角圖。

圖8.樣品的電化學性能

(a) 170℃熱處理過的PE隔膜、PE-SiO₂隔膜和PE-SiO₂@PDA隔膜組裝成軟包裝電池時的開路電壓測試(內部顯示的是放大的圖形)；

(b)在開路電壓測試之后隔膜的照片圖；

(c) PE隔膜、PE-SiO₂隔膜和PE-SiO₂@PDA隔膜組裝成紐扣電池時的循環性能圖；

(d) PE隔膜、PE-SiO₂隔膜和PE-SiO₂@PDA隔膜組裝成紐扣電池時的倍率性能圖。

【展望】

這種復合改性的方法展示了一種提高鋰離子電池安全性能的新的途經，考慮到包覆陶瓷的隔膜在鋰離子電池中大規模應用的需求日益增加，這種改性的理論設計將有望實現工業化生產。

【作者簡介】

趙金保教授，廈門大學特聘教授，國家“千人計劃”特聘專家、博士生導師。現任新能源汽車動力電源技術國家地方聯合工程實驗室(廈門大學)主任、電化學技術教育部工程研究中心主任、福建省新能源汽車動力電池及儲能關鍵材料工程實驗室主任等職。社會兼職包括，國家重點研發計劃可再生能源與氫能專項專家組成員、科技部國家高技術研究發展計劃先進能源領域主題專家、教育部科學技術委員會能源與交通學部委員、國家外專局特聘專家、中國電化學學會化學電源領域委員、中國化學與物理電源行業協會理事等。

長期從事化學電源（特別是鋰離子電池）和功能性高分子材料的研發和商品化工作，特別是在日本日立集團工作的十多年間，一直從事鋰電池等化學儲能關聯的研發工作，是最早在國外跨國企業從事鋰離子電池研發的中國人研究員之一。已在全世界（主要申請國為日本、美國、中國）申請發明專利100多項，其中50多項專利已獲授權，多次榮獲技術發明社長獎（公司最高獎之一）等表彰。高性能的功能性電解液、高安全性隔膜材料、硅基負極材料等代表性研究成果（技術發明）已廣泛在國內外的大型企業應用。

2011年初全職回國工作。主持和承擔國家科技部、國家自然科學基金委、福建省、廈門市及企業委托科研項目多項。主要研究方向為電化學（化學儲能），研究內容包括：儲能材料設計、合成及產業化；高性能鋰離子電池及其電極的設計；鋰離子電池用電解液和關聯添加劑的開發；鋰離子電池的生產工藝的開發；電動汽車用大型鋰離子電池及新電池體系的研發、燃料電池等。

原文鏈接：A rational design of separator with substantially enhanced thermal features for lithium-ion batteries by the polydopamine–ceramic composite modification of polyolefin membranes (Energy Environ. Sci., 2016, DOI:10.1039/c6ee02169a)

?本文由材料人編輯部新能源學術組YenHo供稿，點這里加入材料人的大家庭。參與新能源話題討論請加入“材料人新能源材料交流群 422065952”,歡迎關注微信公眾號，微信搜索“新能源前線”或掃碼關注。