延长锂电池寿命—纳米二氧化硅三明治隔膜

来源:低维材料   发布时间:2017-01-03 11:14      设置字体:
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摘要:锂金属电池作为高比容量电池体系之一,其枝晶生长、SEI膜的不稳定等问题一直是研究领域的重大挑战。目前已有大量研究从电极材料、电解液、隔膜等方向提高锂金属电池的安全性。
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【高工锂电综合报道】

锂金属电池作为高比容量电池体系之一,其枝晶生长、SEI膜的不稳定等问题一直是研究领域的重大挑战。目前已有大量研究从电极材料、电解液隔膜等方向提高锂金属电池的安全性。其中有很多研究通过强化隔膜的方式提高电池安全性,而通过涂布陶瓷材料提高隔膜强度是常用的方法之一。

但该方法仍然存在一些问题:(1)涂布的陶瓷材料可与电极材料直接接触,发生电化学反应;(2)为提高陶瓷材料对电解液的浸润性,通常将其涂布在隔膜上,进行性能互补;(3)在充放电过程中,陶瓷材料可能从隔膜脱落。

  最近,CuiYi课题组通过制备纳米二氧化硅三明治隔膜的方法来延长锂金属电池的寿命。相比于传统的三明治隔膜,该隔膜的特点在于:(1)纳米二氧化硅作为中间夹层,可防止副反应发生;(2)纳米二氧化硅颗粒的堆积可为锂离子和电解液的透过提供足够的空间;(3)二氧化硅为绝缘材料,只有在锂金属刺入隔膜时才可发生反应,防止枝晶进一步生长。

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1. 纳米二氧化硅三明治隔膜示意图及SEM

  实验分别将纳米二氧化硅三明治隔膜、普通隔膜、纳米硅三明治隔膜、PMMA三明治隔膜进行对比,发现纳米二氧化硅三明治隔膜可更有效的减缓枝晶进一步生长,提高锂金属电池的安全性。

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2.(a)嵌锂二氧化硅的STEM图和(b)Li,(c)Si,(d)O 分布的EELS.(e)二氧化硅纳米颗粒的放电曲线.(f)二氧化硅纳米颗粒的CV曲线.

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3.(a)不同隔膜抑制枝晶穿透对比图.(b)纳米二氧化硅三明治隔膜提高电池安全性示意图

  综上,该工作通过设计纳米二氧化硅三明治隔膜,在枝晶刺入隔膜时有效减缓枝晶的进一步生长,提高锂金属电池的安全性,对锂金属电池的设计有指导意义。相关研究成果发表在著名刊物Advanced Materials(DOI10.1002/adma.201603987.KaiLiu, Denys Zhuo, Hyun-Wook Lee, Wei Liu, Dingchang Lin, Yingying Lu, and Yi Cui.Extending the Life of Lithium-Based Rechargeable Batteries by Reaction ofLithium Dendrites with a Novel Silica Nanoparticle Sandwiched Separator. Adv.Mater. 2016.)


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