具有优异热稳定性的锂离子电池超亲电解液隔膜的制备及性能研究

Separator, as one of the key components of lithium ion battery, has great influences on the battery performance including energy density, power density, cycle life and safety. The low wettability by electrolytes of lithium ion battery and the poor thermal stability are the main problems of the existing polyolefin separators. Here we proposed to prepare novel superwetting polyethylene (PE) separators for electrolytes with a sandwich structure by modification with polydopamine, and then coating with silicone nanofilaments (SNFs) via chemical vapor deposition. The surface chemical composition and morphology of PE separators can be controlled by the polydopamine layer and the SNFs layer. The wettability of the SNFs-coated PE separators by the electrolytes composed of ethylene carbonate, diethyl carbonate and LiPF6 will be studied in detail using a variety of analytical techniques and the numerical simulation of Material Studio. In addition, the effects of surface chemical composition and morphology on the wettability and the thermal stability of the SNFs-coated PE separators will be investigated, which is helpful to reveal the structure-activity relationship. Moreover, the influences of the superwetting SNFs-coated PE separators on the comprehensive performance of lithium ion battery will be evaluated by assembling the LiFePO4/MCMB experimental cells, which is helpful to reveal the mechanism for the improvement of the battery performance. This project will set the experimental basis and scientific evidence for the research and design of novel separators of high-performance lithium ion battery.

隔膜作为锂离子电池的核心材料之一，直接影响着电池的能量密度、功率密度、循环寿命和安全性。针对目前聚烯烃类隔膜存在电解液润湿性差和热稳定性差的问题，本项目拟通过多巴胺改性聚乙烯（PE）隔膜和化学气相沉积有机硅烷聚合物纳米纤维（SNFs），调控PE隔膜的表面化学组成和形貌，构筑具有三明治结构的新型超亲电解液SNFs改性PE隔膜。通过多种分析测试手段，结合Material Studio计算模拟，研究溶有六氟磷酸锂的碳酸乙烯酯、碳酸二乙酯基电解液对SNFs改性PE隔膜的润湿性，分析隔膜的表面化学组成和形貌对润湿性和热稳定性的影响，建立构-效关系；通过组装磷酸铁锂/中间相炭微球实验电池，研究超亲电解液SNFs改性PE隔膜对锂离子电池综合性能的影响，揭示超亲电解液隔膜对提高锂离子电池性能的作用机制。通过本项目研究，为研究和设计高性能锂离子电池隔膜材料提供实验基础和科学依据。

目前，传统的聚烯烃隔膜由于较差的电解液润湿性和热稳定性，已经不能满足锂电池的飞速发展。因此，高性能锂电池隔膜的研发是下一代高能量密度锂电池发展和应用的瓶颈之一。仿生超浸润表面由于具有独特的表面润湿性能已在表面防污、自清洁和油水分离等领域得到广泛的应用。但在隔膜改性方面未有相关的研究报道。为此，本项目开展了“具有优异热稳定性的锂离子电池超亲电解液隔膜的制备及性能研究”，利用超浸润材料的构建方法实现了超亲电解液隔膜的制备。本项目主要①超浸润材料的制备与性能研究，制备的超双涂层不仅超双疏特性优异，还具有极好的化学和环境稳定性，不仅可以抵抗强酸强碱、各种有机液体，也可以抗拒高粘液体，涂层还具有自修复特性，为后期设计制备超亲电解液隔膜奠定了良好基础。②受仿生超浸润表面的启发，首次通过硅纳米线（SNFs）改性聚烯烃隔膜制备了一种超亲电解液锂电池隔膜。该隔膜电解液的接触角约为0°，高吸液率（287.8%）、保留率（85.6%）和Li+电导率（1.02 mS cm-1）。组装的电池表现出了优异的倍率性能（在5.0 C达到125 mA h g−1）和高倍率下的循环稳定性（经过350次循环之后容量保留率仍为96.05%）。③通过Laponite 改性隔膜表面，制备了一种经济环保的黏土矿物复合隔膜。研究表明，LNS/CB-Celgard隔膜对聚硫化物穿梭具有明显的抑制，同时呈现了较高的Li+电导率和快速的Li+转移，出色的电解液润湿性和较高的热稳定性。将LNS/CB-Celgard隔膜应用于以纯硫正极材料组装的Li-S电池时，在0.1 C时的初始容量可达1387 mA h g−1。同时具有优异的循环稳定性（在0.2C时经过500次循环每次循环容量损失仅为0.06%，在1.0C下经过500次循环每次循环中的容量损失仅为0.028%）和抑制自放电等。