Energy Environ. Sci. 通过聚多巴胺陶瓷和聚烯烃膜复合改性提高锂离子电池热性能的一种隔膜的理论设计

【引言】

锂离子电池由于高能量密度和优良的循环寿命被广泛用在便携电子器件中，目前，锂离子电池在大规模电池应用中也被认为是最具竞争力的能源，如电动汽车和储能系统。在锂离子电池中，在允许电池内部离子运输的同时，隔膜在防止正负极接触时演绎着重要的角色，锂离子电池中所用的隔膜主要是微孔聚烯烃隔膜，但是这些隔膜在温度升高时有很大的热收缩，从而导致内部短路，引致火灾甚至爆炸。为了解决这些问题，找到一种合适的替代材料已经引起了高度关注。

【成果简介】

近日，厦门大学赵金保教授（通讯作者）团队理论上通过引入一种有机-无机混合物包覆层复合改性来提高隔膜的热稳定性和机械稳定性，即聚乙烯隔膜PDA(polydopamine)-SiO₂复合改性的理论设计，用这种隔膜来组装电池，展现了优良的安全性能，有望在锂离子电池中得到广泛应用。

【图文导读】

图1.改性隔膜的合成示意图

 简单涂层法合成复合改性隔膜的示意图

图2.不同系列的PE(polyethylene)-SiO₂形貌

(a.b)SiO₂颗粒的SEM图；

(c)原始PE隔膜的照片(左图)，PE-SiO₂隔膜的照片(中间图)，PE-SiO₂@PDA隔膜的照片(右图)；

(d)-(f) PE-SiO₂隔膜的表面和横截面的SEM图；

(g)-(i) PE-SiO₂@PDA隔膜的表面和横截面SEM图。

图3.样品的红外和能谱图

(a)f傅里叶变化红外光谱（FTIR）图谱；        (b)能量色散X射线光谱（EDX）图谱

图4. PE-SiO₂@PDA的形貌和元素分析

(a) PE-SiO₂@PDA隔膜横截面的SEM图;         (b)Si的元素分析图；

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

图5.系列样品的热性能

(a)原始PE隔膜、PE-SiO₂隔膜和PE-SiO₂@PDA隔膜的热缩减量随温度的变化关系图；

(b) 原始PE隔膜在经过170℃热处理30min前后的尺寸；

(c) PE-SiO₂隔膜在经过170℃热处理30min前后的尺寸；

(d) PE-SiO₂@PDA隔膜在经过170℃热处理30min前后的尺寸；

(e) PE-SiO₂@PDA隔膜在经过220℃热处理30min前后的尺寸。

图6.系列样品的拉伸性能及形貌

(a)PE-SiO₂隔膜和PE-SiO₂@PDA隔膜的拉伸强度随温度的变化关系图和PDA的DSC曲线；

(b) PE-SiO₂隔膜和PE-SiO₂@PDA隔膜在热处理前的压力-张力曲线；

(c) PE-SiO₂隔膜在170℃热处理后的表面SEM图；

(d) PE-SiO₂隔膜在180℃热处理后的表面SEM图；

(e) PE-SiO₂@PDA隔膜在220℃热处理后的表面SEM图；

(f) PE-SiO₂@PDA隔膜在230℃热处理后的表面SEM图。

图7.样品的接触角

(a)PE隔膜的接触角图；

(b) PE-SiO₂隔膜的接触角图；

(c) PE-SiO₂@PDA隔膜的接触角图。

图8.样品的电化学性能

(a) 170℃热处理过的PE隔膜、PE-SiO₂隔膜和PE-SiO₂@PDA隔膜组装成软包装电池时的开路电压测试(内部显示的是放大的图形)；

(b)在开路电压测试之后隔膜的照片图；

(c) PE隔膜、PE-SiO₂隔膜和PE-SiO₂@PDA隔膜组装成纽扣电池时的循环性能图；

(d) PE隔膜、PE-SiO₂隔膜和PE-SiO₂@PDA隔膜组装成纽扣电池时的倍率性能图。

【展望】

这种复合改性的方法展示了一种提高锂离子电池安全性能的新的途经，考虑到包覆陶瓷的隔膜在锂离子电池中大规模应用的需求日益增加，这种改性的理论设计将有望实现工业化生产。

【作者简介】

赵金保教授，厦门大学特聘教授，国家“千人计划”特聘专家、博士生导师。现任新能源汽车动力电源技术国家地方联合工程实验室(厦门大学)主任、电化学技术教育部工程研究中心主任、福建省新能源汽车动力电池及储能关键材料工程实验室主任等职。社会兼职包括，国家重点研发计划可再生能源与氢能专项专家组成员、科技部国家高技术研究发展计划先进能源领域主题专家、教育部科学技术委员会能源与交通学部委员、国家外专局特聘专家、中国电化学学会化学电源领域委员、中国化学与物理电源行业协会理事等。

长期从事化学电源（特别是锂离子电池）和功能性高分子材料的研发和商品化工作，特别是在日本日立集团工作的十多年间，一直从事锂电池等化学储能关联的研发工作，是最早在国外跨国企业从事锂离子电池研发的中国人研究员之一。已在全世界（主要申请国为日本、美国、中国）申请发明专利100多项，其中50多项专利已获授权，多次荣获技术发明社长奖（公司最高奖之一）等表彰。高性能的功能性电解液、高安全性隔膜材料、硅基负极材料等代表性研究成果（技术发明）已广泛在国内外的大型企业应用。

2011年初全职回国工作。主持和承担国家科技部、国家自然科学基金委、福建省、厦门市及企业委托科研项目多项。主要研究方向为电化学（化学储能），研究内容包括：储能材料设计、合成及产业化；高性能锂离子电池及其电极的设计；锂离子电池用电解液和关联添加剂的开发；锂离子电池的生产工艺的开发；电动汽车用大型锂离子电池及新电池体系的研发、燃料电池等。

原文链接：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)

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