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加州大学圣地亚哥分校刘平教授《AFM》:离子门隔膜实现电池内阻的可逆切换,有效提高电池安全性


加州大学圣地亚哥分校刘平教授《AFM》:离子门隔膜实现电池内阻的可逆切换,有效提高电池安全性


近年来,锂离子电池(LIB)已经应用在了生活中的各个领域,从根本上改变了人类社会的发展。在未来三十年内,锂离子电池的价格预计将下降近80%,而产量预计将每年增加30%。锂离子电池目前仍然是汽车电气化和电网的主要储能设备。然而,作为能量存储系统就必须密切关注自放电和日历寿命损失问题,特别是在高温条件下。由于电池的机械损坏或在正常条件下运行时内部缺陷造成的短路会导致危险的热失控,最近的电动汽车电池组着火就是很明显的例证。快速的自放电和焦耳热可以迅速将温度提高到隔膜的熔点以上,并开始分解电极材料(150-250°C),进而引发一系列放热反应和热失控。锂金属阳极的使用、快速充电的需求和不断变薄的隔膜增加了枝晶生长和其他缺陷诱发的短路的可能性,同时也增加了机械变形的风险。为了提高高能量密度电池的安全性能,通过设计在机械变形时断裂的集流体,或者使用热敏聚合物来电隔离活性材料,以试图降低故障事件的严重程度。大量阻燃、过充保护氧化还原梭以及剪切增稠电解质添加剂已被开发出来,极大地提高了电池的安全性; 然而,这些在高电压下通常是不稳定的,同时也牺牲了整个电池的能量密度。

鉴于此,来自于美国加州大学圣地亚哥分校的刘平教授制备了一种离子门隔膜,它允许在氧化“开”状态时离子迁移,但在切换到还原“关”状态时限制离子迁移。该隔膜可在严重短路事件发生时,显著降低自放电速率,使温升降到最低。该研究以题为“Reversible Switching of Battery Internal Resistance Using Iongate Separators” 的论文发表在最新一期《Advanced Functional Materials》上。

加州大学圣地亚哥分校刘平教授《AFM》:离子门隔膜实现电池内阻的可逆切换,有效提高电池安全性


文章亮点:

(1)该隔膜是通过在传统聚烯烃隔膜上沉积致密的300纳米聚吡咯:聚多巴胺(PPy:PDA)薄膜来实现的。通过使用这种离子门隔膜作为第三电极,可以实现离子门电阻的快速且可逆的数量级增加。

(2) 当离子门隔膜处于“关闭”状态下存放电池时,可以显着抑制离子通量。与普通电池相比,使用离子门隔膜的电池容量损失减少了约 37%,并且在55 °C下放置 2 周储存时几乎可以完全消除过渡金属(Ni、Mn、Co)的交换现象。

(3) 这种离子门电池在“开”的状态下显示出与普通电池一样的循环性能,但当它处于“关闭”状态时,就会有效地关闭电池。此外,当处于短路时,离子门电池也可以通过关闭状态来提高安全性能。

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图1 离子门电池的机理说明


加州大学圣地亚哥分校刘平教授《AFM》:离子门隔膜实现电池内阻的可逆切换,有效提高电池安全性


图2 电池在处于开/关闭状态下的电化学性能测试

https://doi.org/10.1002/adfm.202102198

来源:高分子科学前沿


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投稿模板:

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