南京工業(yè)大學汪勇教授團隊《Adv. Sci.》：嵌段共聚物選擇性溶脹制備高性能、更安全的鋰離子電池隔膜
鋰離子電池以高能量密度、優(yōu)異的充放電循環(huán)性能、低記憶效應(yīng)等優(yōu)點，在便攜式電子設(shè)備、電動汽車、大型電源和儲能設(shè)備中得到了廣泛的應(yīng)用。隔膜作為鋰離子電池的重要組成部分，對鋰離子電池的性能影響顯著。隔膜可以有效絕緣正負極活性物質(zhì)的直接接觸，避免短路，同時能確保電解液中離子在膜兩側(cè)自由遷移。然而，目前商業(yè)化聚烯烴隔膜由于孔隙率低、浸潤性差和吸液率低等不足，嚴重制約了鋰離子電池的進一步發(fā)展。同時，聚烯烴隔膜熱穩(wěn)定性較差，在高溫下易發(fā)生收縮，導致電池短路，引發(fā)嚴重的安全問題。
南京工業(yè)大學汪勇教授課題組設(shè)計了一種由高強度、親電解液的聚砜（PSF）、親Li+的聚乙二醇（PEG）通過強共價鍵連接的嵌段共聚物（SFEG），借助前期發(fā)展的選擇性溶脹致孔方法（Acc. Chem. Res. 2016, 49, 1401-1408），制備了高性能SFEG鋰離子電池隔膜（圖1）。SFEG隔膜有效地集成了PSF和PEG的優(yōu)點，賦予隔膜良好的浸潤性和熱穩(wěn)定性（圖2）。同時，當溫度上升至125°C時，隔膜的多孔結(jié)構(gòu)閉合，使鋰離子電池具有熱關(guān)斷能力。在室溫下，SFEG隔膜的電解液吸液率高達501%，離子電導率為10.1 mS/cm。這些關(guān)鍵性能指標均優(yōu)于傳統(tǒng)聚丙烯隔膜（Celgard 2400）。使用SFEG隔膜組裝的鋰離子電池放電容高于Celgard 2400，并展現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)性能（圖3）。
圖1 基于選擇性溶脹致孔的SFEG隔膜：（a）分子結(jié)構(gòu)；（b）SFEG的選擇性溶脹致孔過程及其作為LIB隔膜的示意圖；（c-e）表面和斷面的形貌結(jié)構(gòu)
圖2 SFEG隔膜和Celgard 2400隔膜的物化性質(zhì)：（a）浸潤性；（b）吸液率；（c）熱穩(wěn)定性；（d）熱收縮率
圖3 由SFEG隔膜和Celgard 2400隔膜組裝LIB電化學性能：（a）交流阻抗；（b）LSV曲線；（c）循環(huán)充放電性能；（d）不同放電速率條件下的放電容量
該工作發(fā)展了一種全新的鋰離子電池隔膜制備策略，即通過設(shè)計雙功能組分的嵌段共聚物，進行選擇性溶脹成孔，獲得了高性能和更安全的鋰離子電池隔膜。同時，該方法亦有望用于制備其他類型電池的隔膜材料。
相關(guān)論文近期發(fā)表在Advanced Science上，題為“Design of Block-Copolymer Nanoporous Membranes for Robust and Safer Lithium-Ion Battery Separators”。論文通訊作者為汪勇教授。楊浩博士（現(xiàn)就職于煙臺大學）、史賢松博士為共同第一作者。研究成果得到了國家自然科學基金(No. 21776126, 21825803)等項目資助。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/advs.202003096
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