清華新聞網(wǎng)10月17日電 近年來(lái)，隨著鋰離子電池在新能源汽車(chē)等領(lǐng)域中的普及應(yīng)用，電池安全問(wèn)題日益受到關(guān)注，電池?zé)崾Э匾l(fā)安全事故成為業(yè)內(nèi)共識(shí)，而內(nèi)短路是最主要的熱失控起因。在當(dāng)前的電池結(jié)構(gòu)中，隔膜是置于正極和負(fù)極之間的一張微孔薄膜，是電池中允許離子通過(guò)，同時(shí)又隔絕電子的重要部件。隔膜熱收縮超過(guò)一定程度而引起電池內(nèi)短路就會(huì)觸發(fā)電池?zé)崾Э兀ǔ０殡S著冒煙、起火甚至爆炸等劇烈反應(yīng)，可使電池溫度迅速升高至400~1000℃以上，導(dǎo)致嚴(yán)重的安全事故。因此，研究者們投入大量精力研究如何提升隔膜耐溫性、抑制隔膜熱收縮和電池內(nèi)短路。在多年研究積累的基礎(chǔ)上，清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院新能源團(tuán)隊(duì)近期取得了一系列新的發(fā)現(xiàn)，并產(chǎn)生了相應(yīng)的技術(shù)成果。
圖1.電極串?dāng)_對(duì)電池安全和循環(huán)壽命的重要影響
經(jīng)過(guò)深入研究，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，正負(fù)極之間可能發(fā)生的物質(zhì)的串?dāng)_也是電池?zé)崾Э匕l(fā)生的重要機(jī)理，即使是微弱的串?dāng)_也會(huì)嚴(yán)重影響電池的性能。在過(guò)熱情況下，高比能電池正極會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)氧化性物種，負(fù)極會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)還原性物種，這些氧化還原性物種會(huì)在電池內(nèi)部電極之間形成串?dāng)_反應(yīng)來(lái)觸發(fā)電池?zé)崾Э亍Ｑ芯繄F(tuán)隊(duì)深入分析了電極串?dāng)_的雙向遷移特性，并且明確了電極串?dāng)_在高比能電池容量衰減中亦扮演著不可忽視的重要角色（圖1），為研究高比能電池的失效機(jī)理打開(kāi)了新的科學(xué)視角。相關(guān)成果以“抑制電極串?dāng)_的重要性：綜述”（The significance of mitigating crosstalk in lithium-ion batteries: a review）為題發(fā)表于《能源與環(huán)境科學(xué)》（Energy & Environmental Science）期刊。
圖2.高比能電池?zé)崾Э赜|發(fā)機(jī)理
在電極串?dāng)_觸發(fā)熱失控理論的基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步提出了高安全性隔膜的新策略，即同步阻隔內(nèi)短路和電極串?dāng)_。因此，高安全性隔膜設(shè)計(jì)要同步考慮抑制內(nèi)短路和阻隔電極串?dāng)_。研究團(tuán)隊(duì)采用凝膠態(tài)拉伸取向方式制備出納米孔不收縮的聚酰亞胺隔膜，實(shí)現(xiàn)了對(duì)這兩種過(guò)程的同時(shí)抑制，進(jìn)而有效抑制電池的熱失控（圖2）。相關(guān)成果以“同步抑制內(nèi)短路和電極串?dāng)_的納米孔不收縮隔膜用于安全電池”（Simultaneously Blocking Chemical Crosstalk and Internal Short Circuit via Gel-Stretching Derived Nanoporous Non-Shrinkage Separator for Safe Lithium-Ion Batteries）為題發(fā)表于《先進(jìn)材料》（Advanced Materials）期刊。
圖3.電池?zé)崾Э赜|發(fā)機(jī)理與高安全性隔膜調(diào)制理論
同時(shí)，針對(duì)目前行業(yè)內(nèi)大規(guī)模應(yīng)用的電池體系和烯烴隔膜隔膜材料，研究團(tuán)隊(duì)從補(bǔ)齊當(dāng)前電池安全短板的角度出發(fā)，基于微凹版印刷和原位相轉(zhuǎn)化的方法，通過(guò)在聚烯烴基底表面構(gòu)筑具有連續(xù)多孔結(jié)構(gòu)的復(fù)合功能層，一方面調(diào)控隔膜的熱機(jī)械性能，另一方面調(diào)控隔膜的表面微結(jié)構(gòu)，建立了一種雙連續(xù)復(fù)合隔膜制備技術(shù)。相比于常規(guī)130~150℃就收縮熔融，該雙連續(xù)隔膜即使在250℃以上也不發(fā)生尺寸收縮，并且具有熱響應(yīng)閉孔的特性，能夠阻止電極間物質(zhì)串?dāng)_，有效提升了電池的本征安全性（圖3）。相關(guān)研究成果以“基于雙連續(xù)復(fù)合隔膜抑制熱誘導(dǎo)的串?dāng)_提升電池安全”（Boosting Battery Safety by Mitigating Thermal-Induced Crosstalk with a Bi-Continuous Separator）為題發(fā)表于《先進(jìn)能源材料》（Advanced Energy Materials）期刊。
清華大學(xué)博士后宋有志為論文的第一作者，清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院新型能源與材料化學(xué)研究室王莉副研究員和何向明研究員為論文的共同通訊作者。該系列研究成果得到國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的資助，清華大學(xué)高性能計(jì)算中心提供了計(jì)算資源的支持。
論文鏈接：https://doi.org/10.1039/D3EE00441D
https://doi.org/10.1002/adma.202106335
https://doi.org/10.1002/aenm.202201964
供稿：核研院
題圖設(shè)計(jì)：梁晨
編輯：李華山
審核：郭玲
