高安全性、多功能芳纶凝胶纳米纤维隔膜,适用于实际应用的锂离子电池

《JOURNAL OF POWER SOURCES》:High-safety and multifunctional aramid gel nanofiber separator for practical lithium batteries

【字体: 时间:2026年06月07日 来源:JOURNAL OF POWER SOURCES 7.9

编辑推荐:

  刘晓禾|杨大宇|柴琴琴|杨晓萌|孙景云|周文武|朱磊|刘建伟 中国陕西省西安市西安科技大学地质与环境学院,710054 摘要 高能量密度电池的广泛应用一直受到安全问题的挑战。然而,商用聚烯烃隔膜存在热稳定性不足和易燃性等关键安全缺陷。本研究设计了一种基于功能化聚间苯二甲酰胺(

  
刘晓禾|杨大宇|柴琴琴|杨晓萌|孙景云|周文武|朱磊|刘建伟
中国陕西省西安市西安科技大学地质与环境学院,710054

摘要

高能量密度电池的广泛应用一直受到安全问题的挑战。然而,商用聚烯烃隔膜存在热稳定性不足和易燃性等关键安全缺陷。本研究设计了一种基于功能化聚间苯二甲酰胺(PMIA)的热稳定且不可燃的凝胶聚合物电解质隔膜,称为P-PMIA-ZIF-67。该体系结合了聚偏二氟乙烯-六氟丙烯(PVDF-HFP)和沸石咪唑框架-67(ZIF-67)的二次纳米结构。PVDF-HFP与ZIF-67纳米颗粒之间的协同作用形成了独特的三维层次结构,具有较大的比表面积和均匀的孔隙,从而提高了电解质的亲和力和吸收能力。
P-PMIA-ZIF-67隔膜的拉伸强度为28.6 MPa,穿刺力为1.6 N,并且在200°C下没有尺寸收缩,表现出优异的热稳定性。此外,其坚固的结构能够有效抑制锂枝晶的生长,从而降低潜在的安全风险。使用P-PMIA-ZIF-67隔膜与NCM811正极组装的电池在200次循环后仍能保持约140 mAh g?1的稳定循环性能。这项工作为开发高性能和高安全性的锂金属电池隔膜提供了一种可行的策略。

引言

锂离子电池(LIBs)由于其高能量密度、长循环寿命和相对较低的自放电率,已成为消费电子设备和电动汽车的主要储能技术[[1], [2], [3]]。对提高能量密度的持续需求使得富含镍的层状氧化物正极(如NCM811)受到了广泛关注[[4]]。NCM811具有约275 Wh kg?1的显著重量能量密度,已成为一种重要的正极材料。然而,高能量密度电池的主要问题是安全问题,包括电池事故的频繁发生[[5,6]]。隔膜作为电池的关键组件,用于将负极与正极电隔离的同时允许离子传输。传统的聚烯烃隔膜存在电解液润湿性不足和热稳定性差等固有缺点,这源于其较低的孔隙率和熔点。因此,迫切需要开发具有增强安全性能的新隔膜,以减少热收缩、降低热失控的风险并保持优异的电化学性能。
目前,一种方法是在聚烯烃隔膜表面涂覆功能性涂层来一定程度上提高电池性能[[7,8]]。但这些方法耗时、成本高且能耗大。另一种方法是采用具有优异机械强度和热稳定性的替代材料,如纤维素、玻璃纤维、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚丙烯腈(PAN)和聚酰亚胺(PI)等[[9], [10], [11], [12], [13], [14], [15], [16]]。其中,聚间苯二甲酰胺(PMIA)因其出色的耐热性、自熄灭性能和高强度而脱颖而出,这些特性源于其分子主链中的丰富共价键和氢键[[17], [18], [19]]。尽管隔膜工程取得了进展,但这些努力仍不足以克服现有系统的固有局限性。液态电解质Li/Na金属负极界面持续发生的不可控副反应会导致活性碱物种(Li+/Na+的不断消耗,从而加速容量衰减、降低库仑效率,并最终引发枝晶穿透隔膜[[20]]。
幸运的是,凝胶聚合物电解质(GPEs)结合了液态和固态电解质的优点。它们保持了高离子导电性,同时提高了机械耐用性和稳定性,使其成为未来储能系统的理想候选材料。目前,GPEs的主要实用聚合物包括聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚环氧乙烷(PEO)、聚丙烯腈(PAN)和聚偏二氟乙烯-六氟丙烯(PVDF-HFP)[[21], [22], [23], [24], [25]]。PVDF-HFP共聚物由结晶的VDF相和非晶的HFP相组成,共同赋予其高化学稳定性和离子导电性[[26]]。此外,聚合物结构中的C-F键赋予了高介电常数、低表面能和强抗化学降解性,这些特性促进了凝胶电解质的形成[[27]]。然而,静电纺丝PVDF-HFP的机械脆弱性和较差的热耐受性严重限制了其实际应用。尽管提高了PVDF-HFP电解质的离子导电性,但仍不足以克服其不安全性和不稳定的固有缺陷[[28]]。金属有机框架(MOFs)是一类通过连接金属中心和有机连接剂构建的多孔材料,因其巨大的内部表面积、可控的结构和丰富的配位金属位点而受到广泛关注[[4]]。特别是,MOFs能有效促进锂离子传导并抑制锂枝晶的生长[[29]]。此外,MOF基材料的高结构完整性可以提高隔膜的电解质吸收能力、热稳定性和机械性能[[30,31]]。沸石咪唑框架-67(ZIF-67)因其优异的离子传输动力学和出色的热稳定性而成为理想的候选材料[[32], [33], [34]]。
本研究报道了一种基于PMIA的凝胶聚合物电解质(P-PMIA-ZIF-67),具有层次结构,表现出优异的热稳定性和不可燃性,结合了PVDF-HFP和ZIF-67的二次纳米结构。隔膜的坚固层次结构源于PVDF-HFP与ZIF-67之间的协同作用,显著提高了电解质的吸收能力、优异的电解质保持能力和高温稳定性。具体而言,PVDF-HFP的C-F键促进了静电纺丝PMIA膜内的凝胶化并抑制了锂枝晶的生长。同时,ZIF-67的微孔结构及其中心Co原子的亲锂性促进了均匀的锂沉积。此外,改性隔膜的独特三维网络结构确保了锂离子的快速传输。最后,PMIA基体赋予的优异高温稳定性和机械强度提高了电池的安全性和电化学性能。

章节摘录

实验部分

图1概述了P-PMIA-ZIF-67隔膜的制备过程。首先在N,N-二甲基乙酰胺(DMAc)中溶解PVDF-HFP并持续搅拌,然后加入ZIF-67颗粒(菱形十二面体;图S1)并均匀分散。再加入20%(重量)的PMIA,得到混合均匀且稳定的前驱体溶液。该溶液随后经过静电纺丝和干燥,得到最终的复合纳米纤维隔膜(图S2)。完整材料规格

微观结构和形态

静电纺丝隔膜呈现出均匀的三维纤维网络(图2a–c)。PMIA纤维的平均直径为81 nm。加入PVDF-HFP和ZIF-67后,平均纤维直径增加到140 nm。如图2c所示,ZIF-67纳米颗粒均匀地锚定在纳米纤维表面。根据不同ZIF-67含量的形态学研究,确定2%的负载量是最佳组成(图S2)。这种稳定的多孔结构

结论

总之,本研究通过静电纺丝将PVDF-HFP和ZIF-67整合到PMIA耐热框架中,开发出了一种间芳酰胺衍生的GPE隔膜。该隔膜在200°C下保持结构完整性,并表现出自熄灭性能。P-PMIA-ZIF-67隔膜具有优异的电解质润湿性和吸收能力,有助于降低界面电阻并促进均匀的Li+传输。在对称电池中,它能够实现稳定的锂沉积/剥离

数据可用性

数据见手稿或支持信息文件。

CRediT作者贡献声明

刘晓禾:概念构思、资金获取、方法论。杨大宇:数据整理、研究、初稿撰写、审稿与编辑。柴琴琴:验证。杨晓萌:方法论。孙景云:指导。周文武:可视化。朱磊:指导。刘建伟:数据整理、正式分析、资金获取、项目管理。

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系:刘晓禾报告获得了中国国家自然科学基金的支持;刘建伟报告获得了中国国家自然科学基金和自然科学基金的支持。

致谢

我们非常感谢以下机构的财政支持:中国国家自然科学基金(52206277, 51978569)、陕西省自然科学基金(2024JC-YBQN-0539, 2023-JC-QN-0494)以及中国博士后科学基金(2022MD723821, 2023M742788)。
相关新闻
生物通微信公众号
微信
新浪微博

热点排行

    今日动态 | 人才市场 | 新技术专栏 | 中国科学人 | 云展台 | BioHot | 云讲堂直播 | 会展中心 | 特价专栏 | 技术快讯 | 免费试用

    版权所有 生物通

    Copyright© eBiotrade.com, All Rights Reserved

    联系信箱:

    粤ICP备09063491号