多孔的聚烯烴因其優(yōu)異的電化學穩(wěn)定性而被廣泛地用做商業(yè)化鋰離子電池隔膜。作為電池正負極之間防短路的隔絕層，聚烯烴隔膜極大地影響著電池的安全性能。其內(nèi)部的多孔結(jié)構(gòu)有利于電池在充放電過程中的鋰離子通過，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(nèi)部孔結(jié)構(gòu)必然會產(chǎn)生畸變導致開裂和部分孔關(guān)閉，從而影響鋰電池的性能和安全性。
近日，中國科學技術(shù)大學姚宏斌教授、倪勇教授和俞書宏教授研究團隊受珍珠層具有高韌性的啟發(fā)，提出了一種強化聚烯烴隔膜抗沖擊韌性的方法。該團隊通過在聚乙烯隔膜表面構(gòu)建仿珍珠層涂層，有效地維持了沖擊后隔膜內(nèi)部的孔結(jié)構(gòu)，從而保證了電池充放電過程中具有均勻的鋰離子流。相對于使用商業(yè)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(xiàn)出較小的開路電壓變化和較好的循環(huán)穩(wěn)定性以及高的安全性。該研究成果于2019年11月6日以題為“A Nacre-Inspired Separator Coating for Impact-Tolerant Lithium Batteries”在線發(fā)表于Advanced Materials上。
目前廣泛使用陶瓷納米顆粒涂層來提高聚烯烴隔膜的熱穩(wěn)定和對電解液的浸潤性，然而受力分析表明納米顆粒涂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(nèi)部在充放電過程具有不均勻的鋰離子流，引發(fā)電極上不均勻的鋰沉積甚至導致鋰枝晶的生成（如圖1a）。該研究團隊在深刻理解自然界珍珠母層高韌性原理的基礎(chǔ)上，在聚乙烯隔膜表面構(gòu)建仿珍珠層的“磚泥”有序結(jié)構(gòu)。在受到外力沖擊時，仿珍珠母涂層通過片片滑移的作用有效的擴大受力面積來耗散沖擊的應(yīng)力，從而有效地保護了隔膜內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)，維持電池內(nèi)部均勻的鋰離子流（如圖1b）。
圖1. 商業(yè)陶瓷納米顆粒涂層隔膜和仿珍珠母層隔膜受到?jīng)_擊后的應(yīng)力分析
為了進一步證實珍珠層啟發(fā)的隔膜對商業(yè)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(yè)納米顆粒涂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復(fù)（如圖2a, b）。研究團隊還繼續(xù)考察了受兩次沖擊后軟包電池的長循環(huán)性能，使用仿珍珠母涂層隔膜的軟包電池在超過80個循環(huán)中仍顯示出良好的穩(wěn)定性（如圖2c）。上述研究結(jié)果表明，仿珍珠母層隔膜對電池具有良好的保護作用并且可以有效地降低許多安全隱患。
圖2. 使用商業(yè)陶瓷納米顆粒涂層隔膜和仿珍珠母層隔膜組裝的電池的電化學性能對比
該工作提出了構(gòu)建仿珍珠層增韌隔膜的策略，并從理論模擬和實驗測試上證明其提升鋰電池抗沖擊的能力，這將為今后提升鋰電池的安全性開辟新途徑。
該論文共同第一作者為中國科學技術(shù)大學化學與材料科學學院應(yīng)用化學系碩士生宋永慧與近代力學系博士生吳開金。本研究得到科技部、國家自然科學基金委、中國科學院和國家同步輻射國家實驗室的支持。
論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201905711
