聚合物分离膜及其表界面工程课题组发展了具有不对称孔结构的高安全性复合锂离子电池隔膜

     SIEPM（聚合物分离膜及其表界面工程课题组）发展了具有不对称孔结构的高安全性复合锂离子电池隔膜

       锂离子电池凭借其高能量密度、长寿命和无记忆效应等优点已被广泛地应用于各种便携式电子设备和动力装置。锂离子电池的安全性，尤其是在高温工作条件下的运行稳定性，是电池应用的关键指标之一，正日益受到广大研究者的关注。在锂离子电池的结构中，多孔隔膜起到物理分隔正负极的作用，并且为锂离子传输提供通道，对电池的充放电性能及安全性至关重要。一般认为，大孔径隔膜有利于提高电导率，从而改善电池的初始放电容量和倍率放电性能；另一方面，较小的孔径可以有效阻止锂枝晶的生长以及电解液的流失，在提高电池的安全性能方面更具优势。因此，如何简单、有效地制备具有多层次孔结构的电池隔膜，成为同步提升电池性能和安全性的关键。
      最近，聚合物分离膜及其表界面工程课题组在Elsevier旗下Composites Communications期刊发表了题为“Sandwich-Structured Composite Separators with an Anisotropic Pore Architecture for Highly Safe Li-ion Batteries”的研究论文，报道了一种具有不对称孔结构的复合锂离子电池隔膜(SSCS)的制备新方法。在课题组前期发展的热致相分离法(TIPS)制备梯度孔分离膜(Chinese J. Polym. Sci., 2016, 34, 1423−1435)的基础上，该工作将聚偏氟乙烯(PVDF)与聚对苯二甲酸乙二酯(PET)无纺布进行复合，利用TIPS过程中成膜液内部和表面冷却速率的差异(图1a)，得到了表面小孔、内部大孔的不对称孔结构(图1b，1c)。这种特殊结构使得隔膜具有较高的储液量和较小的漏液率。另外，无纺布夹心层的存在提高了隔膜的热稳定性，高温下不易变形(图2a)。同时该隔膜还具有高温闭孔的特性(图2b)，从而避免了极端高温工作条件下的电池短路问题，提高了电池使用的安全性。将这种复合隔膜用于LiFePO₄/Li电池中，其放电容量和循环使用稳定性均优于商品化隔膜Celgard 2400，该性能提升得益于复合隔膜独特的不对称孔结构所赋予的高电导率和低界面阻抗。该工作为制备兼具优异的电池性能和安全性的锂离子电池隔膜材料提供了一种新思路。

图1 (a)热致相分离过程中成膜液温度随位置和时间变化的关系函数；(b)具有不对称孔结构的复合隔膜的SEM照片与(c)孔径分布。

图2 (a)不同隔膜的热稳定性比较以及(b)复合薄膜的高温闭孔特性。