彩8 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)中國科學技術大學姚宏斌、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。

在商業化锂電池中,多孔的聚烯烴因其優異的電化學穩定性而被廣泛地用做锂離子電池隔膜。作爲電池正負極之間防止短路的隔絕層,聚烯烴內部的多孔結構有利于電池在充放電過程中的锂離子通過,但也導致了隔膜較差的機械性能。

尤其是當隔膜受到外部的局部沖擊時,其內部孔結構必然會産生畸變導致開裂和部分孔關閉,從而影響锂電池的性能和安全性。爲改善锂電池的性能,目前業界廣泛使用陶瓷納米顆粒塗層來提高聚烯烴隔膜的熱穩定和對電解液的浸潤性,然而受力分析表明,納米顆粒塗層很難有效的抵抗局域化的外力沖擊作用,其必然會導致電池內部在充放電過程具有不均勻的锂離子流,引發電極上不均勻的锂沈積甚至導致锂枝晶的生成。

爲解決這一難題,中國科大的研究團隊在深刻理解自然界珍珠母層高韌性原理基礎上,在聚乙烯隔膜表面構建仿珍珠層的“磚泥”有序結構。在受到外力沖擊時,仿珍珠母塗層通過片片滑移的作用,有效擴大受力面積,耗散沖擊的應力,從而有效保護了隔膜內部孔結構,維持電池內部均勻的锂離子流。

據介紹,相對于使用商業陶瓷隔膜的軟包電池,采用仿珍珠層隔膜的軟包電池在沖擊時表現出較小的開路電壓變化和較好的循環穩定性以及高的安全性。

爲進一步證實仿珍珠母層隔膜對商業化電池安全性的作用,研究團隊對兩種隔膜組裝的軟包電池進行沖擊試驗。與使用商業納米顆粒塗層隔膜的軟包電池相比,運用仿珍珠母層隔膜的軟包電池顯示出更低的瞬時開路電壓變化和更快的電壓恢複。

研究結果表明,仿珍珠母層隔膜對電池具有良好的保護作用並且可以有效地降低許多安全隱患。該研究成果提出了構建仿珍珠層增韌隔膜的策略,並從理論模擬和實驗測試上證明其提升锂電池抗沖擊的能力,這將爲今後提升锂電池的安全性開辟新途徑。

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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