SmartMat |研究论文：一种高安全性、阻燃性、具有封装结构的纤维素基锂离子电池隔膜
学术
科技
2024-09-25 14:48
天津
Jinzhou Fu, Hanwei Wang, Zhichen Du, Yao Liu, Qingfeng Sun, Huiqiao Li. A high-safety, flame-retardant cellulose-based separator with encapsulation structure for lithium-ion battery.
SmartMat. 2023; 4:e1182.
https://doi.org/10.1002/smm2.1182
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锂离子电池的安全性问题由于使用可燃性有机电解质而受到关注。此外，当电池内部温度升高到130-160℃时，商用聚烯烃隔膜将发生严重的热收缩，这增加了风险。因此，开发高热稳定性和高安全性的隔膜是提高电池安全性的有效策略。在此，我们设计了一种绿色的纤维素基隔膜(Cel@DBDPE)，它具有独特的锂离子电池封装结构，其中功能阻燃剂(DBDPE)包裹在由二维纤维素纳米片在冷冻干燥后自滚形成的微卷中。这种结构可以将dbdpe颗粒牢固地固定在隔膜中，防止其发生剥离，并且不影响隔膜的厚度和结构等性能。与商用聚丙烯相比，Cel@DBDPE具有优异的热稳定性和阻燃性。前者使其不易发生热收缩，后者能有效防止电解液的燃烧，表现出高效的自熄能力。此外，Cel@DBDPE的尺寸仅为15 μm，具有与聚丙烯相当的竞争性能。因此，当使用Cel@DBDPE作为隔膜时，不会影响电池的电化学性能。本研究为高安全性隔膜的建造提供了一种新的结构设计。
图 1. Cel@DBDPE隔膜的制备。(A)制备过程示意图。(B)原始纤维素。冻干过程中纤维素纳米片的拓扑变形过程，(C)初始状态下含有DBDPE的纤维素纳米片，(D)过渡阶段卷起包裹DBDPE颗粒的纤维素纳米片，以及(E)纤维素纳米片在最后阶段转化为Cel@DBDPE微卷。(F)单纤维样Cel@DBDPE微涡旋和相应的Br元素映射。(G) Cel@DBDPE (DBDPE嵌套在隔膜内)和(H) PP/DBDPE (DBDPE涂层在隔膜上)的SEM横截面图，以及相应的Br和c元素映射图;聚丙烯、聚丙烯;扫描电子显微镜。图 2. Cel@DBDPE隔膜的表征。(A) PP/DBDPE和(B) Cel@DBDPE的超声处理和相应的示意图。(C)含有不同隔膜的电解质的透光率。(D) PP和(E) Cel@DBDPE接触角试验。(F)电解质摄取。(G) Cel@DBDPE隔膜抗拉强度。(H) Cel@DBDPE隔膜的浸泡试验。(I) Cel@DBDPE隔膜在电解液浸泡前后的拉曼光谱。
图 3. Cel@DBDPE隔膜和PP隔膜的表征。(A) PP和(B) Cel@DBDPE的热稳定性试验。(C)收缩率随温度的变化。(D-F)利用红外热成像仪记录的Cel@DBDPE(左)和PP(右)在不同温度下的变化。(G) PP和(H)燃烧实验Cel@DBDPE。
图 4. 不同隔膜的原理图。(A) PP隔膜热失控机理。(B) Cel@DBDPE隔膜的阻燃机理。图 5. PP隔膜和Cel@DBDPE隔膜的电化学性能。(A) Li/PP/Li和(C) Li/Cel@DBDPE/Li对称电池的EIS图。(B) Li/PP/Li和(D) Li/Cel@DBDPE/Li对称电池在0.5 mA/cm2和0.5 h下的恒流充放电试验。(E) 0.3 C下的充放电曲线，(F) 1.0 C下的恒流充放电试验，(G) Li/PP/LFP和Li/Cel@DBDPE/LFP半电池的倍率试验。
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作者简介
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李会巧，华中科技大学材料科学与工程学院教授、博导，华中卓越学者。国家高层次人才特殊支持计划科技领军人才、国家高层次人才特殊支持计划青年拔尖人才、教育部新世纪优秀人才计划、湖北省百人计划特聘教授、湖北省楚天学者特聘教授、湖北省杰出青年。主要从事二次电池/电容器等储能材料与器件的研究。
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