近年來，鋰電池因其高能量密度、長壽命等優(yōu)點在電動汽車、移動電源等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。然而，鋰電池的安全問題一直備受關(guān)注。充電過程中可能驟發(fā)高溫是鋰電池安全的一個重要隱患。過去，為了提高鋰電池的安全性能，研究人員主要集中在改進電解液、正極材料等方面。然而，這些方法在一定程度上提高了安全性能，但并未根本解決問題。
近日記者了解到，中國科學(xué)院近代物理研究所材料研究中心科研團隊與蘭州大學(xué)、先進能源科學(xué)與技術(shù)廣東省實驗室等相關(guān)團隊合作，依托大科學(xué)裝置蘭州重離子加速器，開展了離子徑跡技術(shù)研究。研究團隊發(fā)現(xiàn)，聚酰亞胺是一種具有優(yōu)異耐高溫性能的高分子材料，可以作為高性能鋰離子電池的隔膜材料。通過對聚酰亞胺的表面改性，研制出了一種新型的耐高溫聚酰亞胺隔膜制備新工藝，有助于提升鋰電池及其充電的安全性。
本次研究的聚酰亞胺離子徑跡膜(左側(cè))和傳統(tǒng)多孔隔膜(右側(cè))的安全特性示意圖。中國科學(xué)院近代物理研究所/供圖
這項鋰電池材料領(lǐng)域重要研究進展成果論文，近日在專業(yè)學(xué)術(shù)刊物《美國化學(xué)學(xué)會納米期刊》(ACS Nano)上發(fā)表，論文第一作者和通訊作者均來自中國科學(xué)院近代物理研究所。
他們介紹說，隔膜作為鋰離子電池的關(guān)鍵部件之一，具有隔絕正負極和傳導(dǎo)鋰離子的功能，對電池的安全性至關(guān)重要。目前，商用鋰離子電池的能量密度可達300瓦時每千克，并有望進一步得到提升。然而，在追求鋰離子電池更高能量密度的同時，安全性問題不容忽視。傳統(tǒng)聚烯烴隔膜熱穩(wěn)定性差，孔隙結(jié)構(gòu)不均一，在高溫下容易收縮并造成電池內(nèi)部短路和引發(fā)熱失控。
聚酰亞胺因熱穩(wěn)定性優(yōu)異、機械強度高、化學(xué)穩(wěn)定性良好被視為是高安全性隔膜的理想選擇。因此，針對聚酰亞胺開展深入研究，開發(fā)具有均一孔道結(jié)構(gòu)的聚酰亞胺隔膜并實現(xiàn)可控制備，對于充分發(fā)揮隔膜在提高電池安全性方面的作用十分重要。
在本項研究中，中國科學(xué)院近代物理研究所科研團隊和合作者一起，依托蘭州重離子加速器開發(fā)出基于離子徑跡技術(shù)的耐高溫聚酰亞胺隔膜制備新工藝，所制備的隔膜相較于傳統(tǒng)聚烯烴隔膜優(yōu)勢明顯，其機械強度高達150.6兆帕，耐高溫性能卓越(450攝氏度下結(jié)構(gòu)不收縮)，孔徑分布窄(孔徑標準差<6%)，孔道結(jié)構(gòu)垂直排列(迂曲度為1)。
科研團隊指出，在3毫安每平方厘米的條件下，使用聚酰亞胺耐高溫隔膜的鋰/鋰對稱電池可穩(wěn)定循環(huán)1200小時，且在鋰金屬電極表面實現(xiàn)均勻、致密的鋰沉積，表明其具有優(yōu)異的鋰枝晶抑制能力。此外，使用該隔膜的磷酸鐵鋰軟包電池在常溫下可穩(wěn)定循環(huán)1000次，容量保持率為73.25%，并表現(xiàn)出優(yōu)異的高溫性能，可在150攝氏度的環(huán)境溫度下正常工作。
本次研究的磷酸鐵鋰軟包電池的長循環(huán)性能對照。中國科學(xué)院近代物理研究所/供圖
科研團隊表示，他們最新發(fā)表的研究成果，為開發(fā)可靠的具有耐高溫高性能鋰離子電池隔膜和工藝提供了新思路，將成為提高鋰離子電池安全性的有效途徑和手段之一。
團隊負責(zé)人還表示，這一研究成果有望為高性能鋰離子電池的安全性提供有力保障，推動鋰電池在電動汽車、移動電源等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。同時，這一新工藝還可拓展到其他高溫環(huán)境下的應(yīng)用領(lǐng)域，如航天、軍事等。
目前，這項研究成果已經(jīng)引起了廣泛關(guān)注。許多專家認為，這是一項具有重要意義的技術(shù)突破，有望為鋰電池的安全性能提供有力保障。未來，隨著這項技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，相信鋰電池的安全性能將得到進一步提升，為新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供更加可靠、安全的技術(shù)支撐。
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