鋰電池的結(jié)構(gòu)中,隔膜是關鍵的內(nèi)層組件之一。隔膜的性能決定了電池的界面結(jié)構(gòu)、內(nèi)阻等,直接影響電池的容量、循環(huán)以及安全性能等特性,性能優(yōu)異的隔膜對提高電池的綜合性能具有重要的作用。隔膜的主要作用是使電池的正、負極分隔開來,防止兩極接觸而短路,此外還具有能使電解質(zhì)離子通過的功能。隔膜材質(zhì)是不導電的,其物理化學性質(zhì)對電池的性能有很大的影響。電池的種類不同,采用的隔膜也不同。隨著材料學的快速發(fā)展,針對鋰電池隔膜的研究也不斷深入,下面將介紹幾種膜材料的應用,它們分別針對鋰電池不同的缺陷進行完善。
用于有限鋰電池的聚苯硫醚基固態(tài)隔膜
如今,鋰離子電池憑借能量高、循環(huán)壽命長等優(yōu)點在各行各業(yè)都有了越來越廣泛的應用。但相應的,傳統(tǒng)鋰離子電解質(zhì)通常具有易燃、易爆易揮發(fā)等缺點,從而引起嚴重的安全問題。因此,尋找合適的固態(tài)電解質(zhì)就成為當前首要關心的問題。
目前,江蘇大學與挪威科技大學聯(lián)合提出一種鋰化聚苯硫醚基固態(tài)隔膜(PPS-SSS)。該膜通過無溶劑工藝制備,其中,PPS表面被功能化從而起到固定陰離子的作用,提高Li+轉(zhuǎn)移數(shù),擴大電化學點位窗口。該膜在25℃表現(xiàn)出很高的離子導電率,從而Cu可均勻鍍鋰?;谟邢薜腻冧囥~陽極、高負載和高電壓,聚乙烯保護的鋰金屬電池可提供高能量和功率密度,且具有超過最先進鋰離子電池的循環(huán)壽命和高安全性,為鋰金屬電池實用化給予了極大促進。
分級多孔二氧化硅膜作鋰離子電池隔膜
為滿足日益增長的高端應用需求,提高電池的倍率性能和能量密度受到了越來越多的關注。但是鋰離子電池中的商用聚合物分離器孔隙率有限,特別是在高電流密度時,電解質(zhì)潤濕性低,熱穩(wěn)定性和機械穩(wěn)定性差,這將降低電池性能。
這里通過在陰極表面組裝中空介孔二氧化硅顆粒,設計分級多孔、超輕二氧化硅膜做高性能鋰電池隔膜。dan'ge單個二氧化硅顆粒的中孔為離子輸送提供了途徑,同時提高了電化學動力學。此外,由于其分級多孔的特性,該類膜顯示出非常好的電解質(zhì)親和力、熱穩(wěn)定性、機械強度。
非水氧化還原液流電池鋰導電復合陶瓷膜
氧化還原液流電池是用于長期儲能的新型電池,但目前過于昂貴。非水氧化還原液流電池通過利用有機溶劑的電化學穩(wěn)定性。在高電池電壓下運行并促進使用與水電解質(zhì)不相容的氧化還原電對降低成本。目前,面臨的關鍵挑戰(zhàn)是合適的選擇性、電導率和穩(wěn)定性三者組合的膜分離器。集成到柔性聚合物機制的單離子導電陶瓷可以提供途徑來獲得具有競爭力的非水系統(tǒng)所需的性能屬性。
超薄固態(tài)電解質(zhì)膜
層狀富鎳氧化物是一種很有前途的高能量密度鋰離子電池正極材料,但由于電極-電解質(zhì)界面降解導致的電化學穩(wěn)定性差的問題仍有待解決。表面涂層技術是解決這一問題的有力技術之一。LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2(NCM)表面的電極水平上覆蓋了一層納米級的氧氮磷鋰(LiPON),發(fā)現(xiàn)處理后的電池阻抗更低,循環(huán)壽命更長,安全性更好。最值得注意的是,這種基于NCM-LiPON的1.3 Ah軟包電池可提供364.4 Wh kg-1的能量密度(基于正極和負極材料),在0.5 c速率下,經(jīng)過745次循環(huán)后仍保持80.0%,比裸電池長1.3倍。這是由于表面陰極-電解液界面(CEI)的修飾和一般粒子表面結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定,因此應重視電極表面保形涂層的作用。因此,通過磁控濺射在NCM陰極表面構(gòu)建了鋰磷氧氮化物(LiPON)超薄膜,重點是表面CEI的改性,簡單但有效。這一貢獻給出了一個簡化電極涂層的例子。
總結(jié)
開發(fā)高效、清潔和可再生的能源轉(zhuǎn)換和存儲技術是可持續(xù)社會應對自然資源枯竭、全球變暖和環(huán)境污染的關鍵目標之一。開發(fā)高效的儲能技術是當前實現(xiàn)脫碳社會戰(zhàn)略的核心。而針對電池中膜的研究則是完成上述目標的重要步驟,本文幾個例子都是最近一些有關鋰電池不同的膜技術,可看出目前在電池方面需要改進的方面仍有許多可探索的空間。針對電池能源存在的問題進行改進,才能夠獲得更為適合應用的新能源。
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