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南京航空航天大学材料科学与技术学院Jianping He--用于锂离子电池安全的阻燃纳米二氧化钛聚酰亚胺复合隔膜
       商用聚烯烃隔膜由于热稳定性差,经常导致锂离子电池爆炸和热失控。 因此,各种具有高热稳定性的聚合物隔膜引起了研究人员的关注。本文通过在静电纺丝前向PAA溶液中加入一定含量的纳米TiO2颗粒,制备了一种特殊的纳米TiO2/聚酰亚胺(TiO2@PI)复合隔膜。 发现添加的TiO2陶瓷颗粒大大提高了隔膜的阻燃性能,同时抑制了锂枝晶,防止了电池内部短路。结果,通过连接直径约500 nm的球形珠子,形成了由TiO2浓度为5.0 wt%的纺丝溶液制备的TiO2@PI纳米纤维隔膜(5.0-TiO2@PI),极大地抑制了锂枝晶。它具有更好的性能,例如电解质吸收率(721%)和离子电导率(2.52 mS cm-1)。基于5.0-TiO2@PI纳米纤维隔膜的LiCoO2/Li电池即使在4 C的电流密度下也具有更高的放电容量,优于PE隔膜。这种5.0-TiO2@PI纳米纤维隔膜的使用对高能量密度电池的安全具有启发意义。
 
 
图1 纳米二氧化钛/聚酰亚胺(TiO2@PI)复合隔膜的制备流程图(a)和反应方程式(b、c)。
 
 
图 2  5.0-TiO2@PI复合膜的XRD图谱。
 
 
图 3 纯 PI 膜 (a, e)、1.5-TiO2@PI (b, f)、3.5-TiO2@PI (c, g) 和 5.0-TiO2@PI (d, h) 复合膜的 SEM 和 锂枝晶在锂离子电池中的生长示意图(i)。
 
 
图4 . PE隔膜、PI膜、1.5-TiO2@PI、3.5-TiO2@PI、5.0-TiO2@PI复合膜(从左到右)前(上)后(下)160℃加热0.5h(a); PE隔膜、PI膜和5.0-TiO2@PI复合膜的TG曲线(b)。
 
 
图5  PE隔膜 (a-c)、PI膜(d-f)和5.0-TiO2@PI 复合膜 (g-i) 的燃烧实验。
 
  
图 6. PI 膜 (a) 与 1.5-TiO2@PI (b)、3.5-TiO2@PI (c) 和 5.0-TiO2@PI (d) 复合膜与电解质的接触角。
 
 
图 7. 电化学稳定性 (a)、恒流充放电循环曲线 (b)、LiCoO2||Li 电池的电化学阻抗谱 (c) 和 SS||SS 电池的奈奎斯特图 (d) 与PI隔板和1.5- TiO2@PI、3.5-TiO2@PI和5.0-TiO2@PI 复合隔膜。
 
 
图 8. 使用不同 PI 隔膜组装的 LiCoO2||Li 电池的循环性能 (a) 和倍率性能 (b)。
  
      相关研究成果由南京航空航天大学材料科学与技术学院Jianping He等人2022年发表在ACS Applied Polymer Materials (https://doi.org/10.1021/acsapm.2c00645)上。原文:Flame-Retardant Nano-TiO2/Polyimide Composite Separator for the Safety of a Lithium-Ion Battery。

转自《石墨烯研究》公众号

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