研究背景

一般來(lái)說(shuō)，隔膜是一層薄的(通常為幾十微米)多孔膜，它阻止了正負(fù)極之間的物理接觸，同時(shí)允許鋰離子和陰離子通過(guò)。雖然隔膜通常被認(rèn)為是電化學(xué)不活潑的電池組件，但就電池的性能和安全性而言，它的物理性能不應(yīng)被忽視。

隔膜的基本要求包括：

1. 對(duì)離子傳輸?shù)牡妥栊?

2. 高溫下的良好熱穩(wěn)定性;

3. 具有較高強(qiáng)度以防止隔膜在電池纏繞過(guò)程中的變形;

4. 化學(xué)和電化學(xué)惰性，以消除與電極和電解液接觸時(shí)的副反應(yīng)。

聚烯烴隔膜可以滿足上述要求，聚乙烯(PE)和聚丙烯(PP)自20世紀(jì)90年代商業(yè)化以來(lái)一直被認(rèn)為是LIBs(鋰離子電池)的主要組成部分。但是，將聚烯烴隔膜順利地從LIBs過(guò)渡到LMBs(鋰金屬電池)還有額外的要求。

LMBs中的隔膜會(huì)受到嚴(yán)重的機(jī)械壓縮，主要是由于LMB的過(guò)度膨脹。為了克服聚烯烴隔膜的局限性，人們通過(guò)用新材料改造隔膜、調(diào)節(jié)隔膜的孔結(jié)構(gòu)或用表面涂層對(duì)隔膜進(jìn)行機(jī)械加固等方法來(lái)改善隔膜的性能。

值得注意的是，聚烯烴隔膜的功能性涂層為了提高機(jī)械強(qiáng)度和調(diào)節(jié)鍍鋰。用高摩爾無(wú)機(jī)鹽、石墨烯、和電子導(dǎo)電膜對(duì)鍍鋰的形態(tài)有明顯的調(diào)節(jié)作用。此外，具有有序孔結(jié)構(gòu)和金屬/共價(jià)有機(jī)骨架(MOFs/COFs)的涂層已被建議用于LMA。雖然已經(jīng)提出了許多涂層材料，但無(wú)論是哪種類型的聚烯烴隔膜，大多數(shù)研究都沒(méi)有考慮到在選擇最合適的聚烯烴隔膜進(jìn)行涂層時(shí)隔膜的機(jī)械/化學(xué)穩(wěn)定性以及隨后可能對(duì)LMBs在受控條件下循環(huán)穩(wěn)定性的影響。

工作簡(jiǎn)介

圖片來(lái)源;Energy & Environmental Materials

韓國(guó)大邱慶北科學(xué)技術(shù)學(xué)院Yong Min Lee和Hongkyung Lee教授等人研究了使用聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)等 12 種不同的商用隔膜，研究了LMB在實(shí)際條件下隔膜的性質(zhì)，并重新定義了關(guān)鍵影響因素，包括孔結(jié)構(gòu)、機(jī)械穩(wěn)定性和化學(xué)親和力。在由LMA膨脹引發(fā)的極端壓縮下，通過(guò)平衡縱向和橫向拉伸強(qiáng)度來(lái)釋放各向同性應(yīng)力對(duì)于減輕電池短路至關(guān)重要。與PP隔膜不同，具有高彈性模量和高度連通孔結(jié)構(gòu)的PE隔膜可以均勻調(diào)節(jié)LMA的膨脹。陶瓷涂層增強(qiáng)了短路電阻，而由于陶瓷和LMA(鋰金屬陽(yáng)極)之間的有害相互作用，循環(huán)效率迅速降低。本研究通過(guò)闡明隔膜改性對(duì)循環(huán)性能的影響，確定了實(shí)用LMB隔膜在機(jī)械穩(wěn)定性和對(duì)LMA化學(xué)親和力方面的設(shè)計(jì)原則。

圖文概述

商用PE和PP隔膜以及涂層隔膜的參數(shù)(圖片來(lái)源;Energy & Environmental Materials)

(a)利用Li||Cu電池測(cè)量各種隔膜的庫(kù)侖效率(CE)。(b)在電流密度為1.5 mA cm?2下，用計(jì)時(shí)電位法測(cè)量Li||Li對(duì)稱電池的短路時(shí)間的比較。(圖片來(lái)源;Energy & Environmental Materials)

總 結(jié)

本文研究了12種商用聚烯烴隔膜的幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，以及它們的結(jié)構(gòu)、化學(xué)和機(jī)械性能在受控條件下影響LMBs循環(huán)穩(wěn)定性的機(jī)理。

盡管使用了兼容的電解質(zhì)，但由于反應(yīng)鋰層的過(guò)度生長(zhǎng)可能會(huì)增強(qiáng)電池內(nèi)的壓力，具有貧電解質(zhì)的LMB大多會(huì)失效。

與PP隔膜相比，大多數(shù)PE隔膜在較強(qiáng)壓縮下始終表現(xiàn)出出色的抗短路失效性。PE隔膜具有平衡的MD/TD抗拉強(qiáng)度和高度連通性孔結(jié)構(gòu)的獨(dú)特特性，可以促進(jìn)Li的均勻生長(zhǎng)，緩解Li+通量分布的不均勻，從而減緩局部Li枝晶的生長(zhǎng)。

增強(qiáng)PE隔膜的拉伸模量有利于進(jìn)一步抑制LMA膨脹，高模量Al2O3涂層不是優(yōu)選的，高模量 Al2O3 涂層不是優(yōu)選的，因?yàn)閷?dǎo)致由SEI引起的孔堵塞或涂層處孤立的Li引起的Li+通量是不均勻的。

此外，含親水基團(tuán)的表面官能化對(duì)LMBs的循環(huán)穩(wěn)定性有不利影響，表現(xiàn)出比純PE隔膜更差的容量保持性和更快的短路失效。

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