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南京航空航天大学何建平:可提高锂离子电池安全性的阻燃型纳米二氧化钛/聚酰亚胺复合隔膜

学术动态    2022-07-08 16:14

DOI: 10.1021/acsapm.2c00645

 

商用聚烯烃隔膜因其热稳定性差,常常导致锂离子电池爆炸和热失控。因此,各种具有高热稳定性的聚合物隔膜引起了研究人员的关注。本研究通过在静电纺丝前向PAA溶液中加入一定含量的纳米TiO2颗粒制备了一种特殊的纳米TiO2/聚酰亚胺(TiO2@PI)复合隔膜。研究发现,添加的TiO2陶瓷颗粒大大提高了隔膜的阻燃性能,同时抑制了锂枝晶,可防止电池内部短路。由TiO2浓度为5.0wt%的纺丝溶液制备的TiO2@PI纳米纤维隔膜(5.0-TiO2@PI)通过连接直径约500nm的球形颗粒形成,这极大地抑制了锂枝晶。其具有较好的性能,例如电解质吸收率(721%)和离子电导率(2.52mS/cm)。基于5.0-TiO2@PI纳米纤维隔膜的LiCoO2/Li电池即使在4C的电流密度下也具有较高的放电容量,优于PE隔膜。这种5.0-TiO2@PI纳米纤维隔膜的使用对高能量密度电池的安全性具有重要意义。

 

图1.纳米二氧化钛/聚酰亚胺(TiO2@PI)复合隔膜的制备流程图(a)和反应方程式(b,c)。

 

图2.5.0-TiO2@PI复合膜的XRD图谱。

 

图3.纯PI膜(a,e)、1.5-TiO2@PI(b,f)、3.5-TiO2@PI(c,g)和5.0-TiO2@PI(d,h)复合膜的SEM,以及配备纯PI隔膜和TiO2@PI隔膜的LIBs中的锂枝晶生长示意图(i)。

 

图4.经160℃加热0.5h前(上)后(下)PE隔膜、PI膜、1.5-TiO2@PI、3.5-TiO2@PI和5.0-TiO2@PI复合膜的照片(从左到右)(a),PE隔膜、PI膜和5.0-TiO2@PI复合膜的TG曲线(b)。

 

图5.PE隔膜(a-c)、PI膜(d-f)和5.0-TiO2@PI复合膜(g-i)的燃烧实验。

 

图6.PI膜(a)、1.5-TiO2@PI(b)、3.5-TiO2@PI(c)和5.0-TiO2@PI(d)复合膜的电解质接触角。

 

图7.LiCoO2||Li电池的电化学稳定性(a)、恒流充放电循环曲线(b)以及电化学阻抗谱(c),配备PI隔膜以及1.5-TiO2@PI、3.5-TiO2@PI和5.0-TiO2@PI复合隔膜的SS||SS电池的奈奎斯特图(d)。

 

图8.使用不同PI隔膜组装的LiCoO2||Li电池的循环性能(a)和倍率性能(b)。