带有超薄Al₂O₃涂层聚乙烯隔膜的高性能、高安全的锂离子电池研究
带有超薄Al₂O₃涂层聚乙烯隔膜的高性能、高安全的锂离子电池研究
锂离子电池隔膜是锂离子电池的关键组成部分，其主要功能是隔离正负极以防止短路，同时允许锂离子通过，从而实现电池的充放电过程。随着新能源汽车和储能系统的快速发展，对高性能锂离子电池的需求不断增加，这为锂离子电池隔膜材料的发展带来了巨大的市场机遇。传统的微孔聚烯烃隔膜（如聚乙烯和聚丙烯）虽然具有良好的机械强度和化学稳定性，但存在热稳定性差的问题，容易在高温下收缩，导致电池短路和热失控。因此，开发高性能、高安全性、高热稳定性的隔膜材料成为研究的重点。年来，研究人员开发出了多层复合隔膜以及表面涂覆有陶瓷、聚合物等材料的隔膜，以提高电池的安全性和循环寿命。此外，新型隔膜材料如聚酰亚胺气凝胶隔膜、芳纶聚合物隔膜等也逐渐被探索和应用。发更经济、高效的隔膜材料，有助于降低锂离子电池的生产成本，使其在更广泛的市场中具有竞争力。
研究背景
锂离子电池（LIBs）因其高能量密度、稳定的循环性能和快速充放电能力，在电动汽车和消费电子领域得到了广泛应用。然而，随着LIBs应用的增加，其安全性问题日益凸显，尤其是热失控问题。隔膜在LIBs中起到分隔正负极、允许锂离子通过的作用，其热稳定性对电池安全性至关重要。传统的聚烯烃微孔隔膜（如PE隔膜）虽然具有良好的机械性能和化学稳定性，但热稳定性较差，容易在高温下收缩或熔化，导致电池短路和热失控。因此，开发性能更好的隔膜对于提高LIBs的安全性具有重要意义。
研究方法
研究团队通过原子层沉积（ALD）技术在7微米厚的PE隔膜表面精确涂覆了一层约10纳米厚的Al₂O₃层。使用三甲基铝（TMA）和高纯水作为前驱体，通过交替脉冲方法在PE隔膜上沉积Al₂O₃。通过控制ALD循环次数，制备了不同厚度的Al₂O₃涂层隔膜（PE-50、PE-75和PE-100，分别对应50、75和100个ALD循环）。对隔膜的离子传导性、界面阻抗、电化学性能以及热稳定性进行了评估。
结论
结构特性
通过SEM观察到PE隔膜表面涂覆了均匀的Al₂O₃层，且保留了PE隔膜的微孔网络结构。XPS和ICP测试证实了Al₂O₃的成功涂覆，并且随着ALD循环次数的增加，Al₂O₃含量增加。
机械性能
Al₂O₃ ALD-PE隔膜的拉伸强度显著提高，PE-75隔膜的拉伸强度达到105 MPa，远高于未涂覆的PE隔膜（75 MPa），且具有良好的柔韧性。
物理化学性质
Al₂O₃ ALD-PE隔膜对电解液的润湿性更好，接触角测试显示PE-75隔膜的接触角为9.3度，远小于PE隔膜的33.1度。离子传导性测试表明，PE-75隔膜的离子传导性为2.95×10⁻⁴ S/cm，高于PE隔膜的2.93×10⁻⁴ S/cm。界面阻抗测试显示，PE-75隔膜的界面阻抗为72欧姆，低于PE隔膜的207欧姆。
电化学性能
使用PE-75隔膜的4.5 V LiCoO₂/Li扣式电池展现出更好的初始放电比容量（184.3 mAh/g）和循环保持率（96%），在0.5C下循环300次后，相比PE隔膜的电池（176.8mAh/g；87.7%）性能提升显著。
安全性评估
通过加速量热法（ARC）测试了不同隔膜的热失控行为。结果显示，使用PE-75隔膜的电池在104℃时开始微短路，比PE隔膜的电池（90℃）高，且热失控发生时间比PE隔膜的电池晚约200分钟，表明PE-75隔膜具有更好的安全性。
热失控实验
使用HEL BTC-130标准电池绝热加速量热仪进行绝热条件下热失控测试：
- 使用PE隔膜的电池：T₀为90℃，T₁为90℃，热失控（T₂）在135℃时发生，从测试开始到热失控发生的时间约为200分钟。
- 使用PE-75隔膜的电池：T₀为104℃，T₁为104℃，热失控（T₂）在135℃时发生，从测试开始到热失控发生的时间约为400分钟。
结论：使用PE-75隔膜的电池在热失控测试中表现出了显著的改进。其T₀和T₁温度更高，表明PE-75隔膜具有更好的热稳定性，能够承受更高的温度而不发生微短路。此外，热失控发生的时间比使用PE隔膜的电池晚约200分钟，这表明PE-75隔膜显著提高了电池的安全性，能够有效延缓热失控的发生，为电池的安全使用提供了更长的预警时间。
来源：Gong, J., Shi, S., Cheng, S., Yang, K., Zheng, P., Xu,Y., ... & Xie, M. (2024). High-performance and safe lithium-ion battery with precise ultrathin Al₂O₃-coated polyethylene separator. Applied Surface Science, 659, 159918.