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                原創科普|新型耐高溫鋰離子電池■隔膜

                • 分類:科普新聞
                • 作者:
                • 來源:
                • 發布時間:2018-08-15 09:18
                • 訪問量:

                【概要描述】電池※是人們日常生活中會常常用到的物品,但它也〖存在安全隱患。當前電池用的隔膜主要是聚烯烴╱類有機隔膜,此類隔ぷ膜對電解液的潤濕性較差,孔隙率①較低,熱穩定性差♀,在較高溫╳度時容易收縮或熔融導致電池短路,嚴重時可引發●起火或爆炸等事故,存在安全隱患。中科院上海矽酸鹽研究所朱】英傑研究員科研團隊研制出一⌒ 種“新型耐高溫鋰⌒ 離子電池隔膜”,可以有效解決此類安全√問題,讓我們♂一起來了解一下吧。

                原創科普|新型耐高溫鋰離子電池隔膜

                【概要描述】電池是人們日常生活▼中會常常用到的物品,但它也存在安全★隱患。當前電池用的隔膜主要是聚烯烴類有機隔膜,此類隔膜對電解液的潤濕性ぷ較差,孔隙率較低,熱穩定性差,在較高溫度時容易ㄨ收縮或熔融導致電池短路,嚴重時可¤引發起火或爆炸等事故,存在安全隱患。中科院上海矽酸鹽研∮究所朱英傑研究員科研團隊研制出一種“新型耐高溫鋰離子電池隔膜”,可以有效解決此類安全問題,讓我們一起來了解一下吧。

                • 分類:科普新聞
                • 作者:
                • 來源:
                • 發布時間:2018-08-15 09:18
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                “新型無機耐火紙”科普系列(五)

                 新型耐高溫鋰離子電池隔膜

                 

                導讀

                電池是人們日常生活中會常常用到的物品,但它也存在安全隱患。當前電池用的隔膜主要是聚烯烴類有機隔膜,此類隔膜對電解液的潤濕性較差,孔隙率較低,熱穩定性差,在較高溫度時容易收縮或熔融導致電池短路,嚴重時可引發起火◥或爆炸等事故,存在安全隱患。中科〗院上海矽酸鹽研究所朱英傑研究員科研團隊研制出一種“新型耐高溫鋰離子電池隔膜”,可以有效解決此類安全問題,讓我們一起來了解一下吧。

                 

                2014年,中科院上海矽酸鹽研究所朱英傑研究員科研團隊在國際上首々次提出了新型羥〓基磷灰石超長納米線無機耐火紙的概念,從根本上改變了傳統造紙的原料,將材料科學、納米科技、造紙技術多學科交叉結合,創新性地提出采用羥基磷灰石超長納△米線作為紙的原料,在國際上獨創發明了新型無機耐火紙,使紙能包■住火變成現實。新型無機耐火紙外觀上和普通紙相似,柔韌性好,白度高,生物相容性好,環境友好,耐火不燃燒,可耐受1000以上的高◎溫,並且可以書寫及彩色打印。該團□隊發展了油酸鈣前驅體溶劑熱法,成功地制備出羥基磷灰石超⊙長納米線,其直徑約為10納米、長度可達100微米到幾百微米,其直徑比人的頭發絲還要小約一萬倍,具有良好的柔韌性,是新型無機耐火紙的理想原料。羥基磷灰石超長納米線∩可以采用普通化工原料人工合成,不□ 需要消耗樹木等寶貴的自然資源,耐火紙的制造過程環境友好,不會對環境造成嚴重汙染,具有良好的可持續性。近幾年來,朱英傑◥團隊對新型無機耐火紙進行了系統◣研究,不斷擴展耐火☆紙的功能和應用領域,研制出多種不同用途的新型耐火紙。在之前系列科普文章中,我們介紹了能包住火的神奇耐火紙不懼水火的超級紙新◣型抗菌耐火紙新型多模式防偽耐火紙。現在讓我們一起來▲了解一種新型耐高溫鋰離子電池隔膜吧。

                 

                鋰離子電池具有高能量密度、高功率密度和長循環壽命等優點,因而在便攜式電子設備例如筆記≡本電腦、手機、數碼相機等產品中得到廣泛應用。近年來,隨著新能源『與清潔能源汽車的快速發展,對新型動力電池與儲能電池的性能↘及其安全性提出了更高的要求。新型電池材料為電池性能和安全性的提升提供了新的機遇和可能性。鋰離子電池主要由正極材料、負極材料、隔膜、電解液和封裝材料五〇部分組成。其中,電池隔膜主要起著阻止正負電極直接接觸、防止▓電池短路、傳輸離子的作用,是保障電池安全並影響電池性能的關鍵材料。雖然電池隔膜並不直接參與電池的電化學●反應,但其性能卻影響電池的界面結構、內阻等性質▼,進而影響電池的能量密度、循環壽命和倍率等性能。另外,電池隔膜的熱〓穩定性還決定著電池可以正常工作的溫度區間和電池的安全性。

                目前商品化的鋰離子電池隔膜主要是聚烯烴類有機隔膜,此類隔膜ξ的優點是價格便宜,力學性能好,且具有較好的電化學穩定㊣性;但也存在不足之處,例如:對電解液的潤濕性較差,孔隙率較低,熱穩定性差,在較高溫度時容易收縮或熔融導致電池短路,嚴重時可引發起火ㄨ或爆炸等事故,存在安全隱患。

                在新型無機耐火紙的研究工作基礎上,朱英傑團隊與華中科技大學胡先羅教授團隊合作,研制出新型羥基磷灰石∑超長納米線基耐高溫鋰離子電池隔膜,該電池隔膜具有諸多優『點,例如柔韌性好、孔隙率高、電解液潤╳濕和吸附性能優良、離子電導率高、熱穩定性高、阻燃耐火,在700的高溫下仍可保持其結構完整性。

                力學性能是電池隔∮膜的一個重要參數。理想的電池隔膜應具備足夠高的力學強度,可以承∩受電池卷繞過程中所施加的外力,還應具有較高的柔韌性。新型羥基磷灰石超長納米線▽基耐高溫鋰離子電池隔膜具有良好的力學性能,柔韌性高,可以卷繞、彎折、甚至團曲,沒有觀察到明顯的破損,可以滿足實際的應用需求。

                   新型耐高溫電池隔膜具有良◤好的柔韌性和力》學強度

                 

                電池隔膜對電解液的浸潤特性★可以影響電池的性能,尤其是高功率電池對隔膜浸潤性的要求很高。新型羥基磷灰石超長納米線基耐高溫鋰離子電池隔膜具有多孔結構和高孔隙率(~81%),對電解←液具有優異的浸潤性能和高吸附量(~253%)。實驗顯示,新型羥基磷灰石超長納米線基耐高溫鋰離→子電池隔膜在滴加電解液後5秒之內,電解液就被吸附進入隔膜內部,其對電解液的接觸角接近0o,對電解液表現出優良的親和性能。然而,采用商用聚丙烯電池隔膜,在隔膜表面滴加電解液90秒後,電解液滴仍︻停留在隔膜表面,且具有約65度╲的接觸角。

                 

                新型羥基磷灰石超長納米線基耐高溫鋰離子電池隔膜對電解液具有優異的浸潤和吸附性能

                 

                新型羥基磷灰石超長納米線基耐高溫鋰離子電池隔膜具有優異的耐高溫和阻燃耐火〒特性。實驗表明,新型△耐高溫電池隔膜在火焰中不燃燒,而且可以保持完整的結構,顯示出優異的阻燃耐火特性。而商用聚丙烯電池隔膜在置於酒精燈火焰上之後,迅速起火並燒成灰燼。在●高溫下的隔膜尺寸穩定性實驗表明,在較高溫度下商用聚丙烯◤隔膜的熱收縮較大,在150時變為透明失去隔卐膜作用;而新●型耐高溫電池隔膜具有高的熱穩定性,即便是在200加熱其尺寸也未發生明顯變化。

                 

                新型耐高溫鋰離子電池隔膜具有優異的耐高溫和阻燃特性

                新型耐高溫鋰離子電池隔膜具有高的熱穩定性,其尺寸在高溫下加熱也未@發生明顯變化 

                采用新型羥基磷灰石超長納米線基耐高溫鋰離子電池隔膜組裝的電池比用聚丙烯隔膜組裝的電池具有更好的電化學性能、循環穩定性和倍率性能,而且具有優◥異的熱穩定性,可耐高溫,在150高溫△環境中能夠保持正常工作狀態,並∏點亮小燈泡;而采用商用聚丙烯隔膜組◣裝的電池在150高溫下很快發生短路而損壞≡。

                 

                與聚丙烯隔膜(PP)相比,采用新型◥耐高溫電池隔膜(HAP/CF)組裝的全電池具有更高的比容量♀和更穩定的循環性能Ψ

                 

                 

                   

                   采用新型耐高溫電池隔膜(HAP/CF)組裝的電▃池在150高溫環境中能夠保持正常工作狀態,並點亮小燈泡;而采用商用聚丙烯隔膜(PP)組裝的電池在150高溫下很快發生短路而損壞。

                 

                可以預期,如果采用新型羥基磷灰ぷ石超長納米線基耐高溫電↓池隔膜,再匹配可耐▓高溫的電解液和電極材料,可以進一步大幅提高電池的工作溫度和安全性。新型羥基磷灰石超長納米線基耐高溫電池隔膜對大幅提高鋰離子電池的工作溫度範圍和鋰〓離子電池的安全性具有重要的意義》,具有良好的應用前景。預期該新型羥基磷灰石超長納米線基耐高溫電池隔膜還可以應用於多種其它類型的耐高溫電池和儲能體系,例如ξ 鈉離子電池、超級電容◢器等。

                相關研究結【果發表在國際權威學術期刊《先進材料》(Advanced Materials, 29, 1703548 (2017),影響因子21.950),並申請一項發明專利。此外,中國科學報▅等多家媒體對相關研究工作做了報道。

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