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隔膜在锂金属电池中有什么要求?

2022-12-08 来源:维科网锂电 浏览数:1

研究背景

一般来说,隔膜是一层薄的(通常为几十微米)多孔膜,它阻止了正负极之间的物理接触,同时允许锂离子和阴离子通过。虽然隔膜通常被认为是电化学不活泼的电池组件,但就电池的性能和安全性而言,它的物理性能不应被忽视。

隔膜的基本要求包括:

1. 对离子传输的低阻性;

2. 高温下的良好热稳定性;

3. 具有较高强度以防止隔膜在电池缠绕过程中的变形;

4. 化学和电化学惰性,以消除与电极和电解液接触时的副反应。

聚烯烃隔膜可以满足上述要求,聚乙烯(PE)和聚丙烯(PP)自20世纪90年代商业化以来一直被认为是LIBs(锂离子电池)的主要组成部分。但是,将聚烯烃隔膜顺利地从LIBs过渡到LMBs(锂金属电池)还有额外的要求。

LMBs中的隔膜会受到严重的机械压缩,主要是由于LMB的过度膨胀。为了克服聚烯烃隔膜的局限性,人们通过用新材料改造隔膜、调节隔膜的孔结构或用表面涂层对隔膜进行机械加固等方法来改善隔膜的性能。

值得注意的是,聚烯烃隔膜的功能性涂层为了提高机械强度和调节镀锂。用高摩尔无机盐、石墨烯、和电子导电膜对镀锂的形态有明显的调节作用。此外,具有有序孔结构和金属/共价有机骨架(MOFs/COFs)的涂层已被建议用于LMA。虽然已经提出了许多涂层材料,但无论是哪种类型的聚烯烃隔膜,大多数研究都没有考虑到在选择最合适的聚烯烃隔膜进行涂层时隔膜的机械/化学稳定性以及随后可能对LMBs在受控条件下循环稳定性的影响。

工作简介

图片来源;Energy & Environmental Materials

韩国大邱庆北科学技术学院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 种不同的商用隔膜,研究了LMB在实际条件下隔膜的性质,并重新定义了关键影响因素,包括孔结构、机械稳定性和化学亲和力。在由LMA膨胀引发的极端压缩下,通过平衡纵向和横向拉伸强度来释放各向同性应力对于减轻电池短路至关重要。与PP隔膜不同,具有高弹性模量和高度连通孔结构的PE隔膜可以均匀调节LMA的膨胀。陶瓷涂层增强了短路电阻,而由于陶瓷和LMA(锂金属阳极)之间的有害相互作用,循环效率迅速降低。本研究通过阐明隔膜改性对循环性能的影响,确定了实用LMB隔膜在机械稳定性和对LMA化学亲和力方面的设计原则。

图文概述

商用PE和PP隔膜以及涂层隔膜的参数(图片来源;Energy & Environmental Materials)

(a)利用Li||Cu电池测量各种隔膜的库仑效率(CE)。(b)在电流密度为1.5 mA cm−2下,用计时电位法测量Li||Li对称电池的短路时间的比较。(图片来源;Energy & Environmental Materials)

总 结

本文研究了12种商用聚烯烃隔膜的几个关键参数,以及它们的结构、化学和机械性能在受控条件下影响LMBs循环稳定性的机理。

尽管使用了兼容的电解质,但由于反应锂层的过度生长可能会增强电池内的压力,具有贫电解质的LMB大多会失效。

与PP隔膜相比,大多数PE隔膜在较强压缩下始终表现出出色的抗短路失效性。PE隔膜具有平衡的MD/TD抗拉强度和高度连通性孔结构的独特特性,可以促进Li的均匀生长,缓解Li+通量分布的不均匀,从而减缓局部Li枝晶的生长。

增强PE隔膜的拉伸模量有利于进一步抑制LMA膨胀,高模量Al2O3涂层不是优选的,高模量 Al2O3 涂层不是优选的,因为导致由SEI引起的孔堵塞或涂层处孤立的Li引起的Li+通量是不均匀的。

此外,含亲水基团的表面官能化对LMBs的循环稳定性有不利影响,表现出比纯PE隔膜更差的容量保持性和更快的短路失效。

 

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