華中科技大學胡先羅Adv. Mater.：基于相變材料的調溫隔膜可確保鋰離子電池的安全性

DOI: 10.1002/adma.202008088

_{鋰離子電池（LIBs）廣泛應用（從小型化設備至大型儲能裝置）的同時，其安全問題也引起了人們極大的關注。隔膜是確保LIBs安全的重要組成部分，其可阻止正極和負極之間的直接電接觸，同時允許離子傳輸。本研究首次報告了可響應于熱刺激的調溫隔膜。采用中空聚丙烯腈納米纖維包覆石蠟相變材料（PCM）制備的隔膜可提供大范圍的焓值（0-135.3 J g-1），能夠及時緩解鋰離子電池的內部升溫。在濫用條件下，電池中產生的熱量會刺激封裝的PCM熔化，從而吸收大量的熱量而不會引起溫度的顯著升高。通過釘子穿透對原型袋式電池內部短路的實驗模擬表明，基于PCM的隔膜可以有效地抑制由于電池故障而引起的溫度升高。同時，得益于獨特的PCM隔膜的潛在蓄熱功能，釘子穿透的電池會在35s內迅速冷卻至室溫。當前設計的蓄熱隔膜提供了有效的過熱保護策略，增強了LIBs的安全性。}

圖1.用于在濫用條件下降低LIBs內部溫度的溫度調節隔膜的示意圖。a）帶有調溫隔膜的LIBs。b）調溫隔膜的結構示意圖。c）調溫隔膜降低LIBs內部溫度的機制。d）PCMs在吸熱和放熱時的特定結構變化。

圖2.PCM基隔膜的形態和微觀結構。a）PW@PAN納米纖維的照片，b）表面，c）橫截面和d）斷裂表面SEM圖像。e）PW@PAN納米纖維的TEM圖像。f-i）在不同時間滴落電解液后，PW@PAN隔膜（f-g）和Celgard PP隔膜（h-i）的接觸角。

圖3.PCM隔膜的成分和熱性能。Celgard PP、純PAN和PW@PAN隔膜的a）FTIR，b）XRD，c）DTA和d）DSC曲線。e）加熱到130℃的PW@PAN和Celgard PP隔膜的熱成像。

_{圖4.帶有PCM基隔膜的電池的電化學性能。a）LiFePO4/Li電池的循環性能，b）倍率性能和c）CV曲線（1C=170 mA g-1）。d）石墨/鋰電池的循環性能，e）倍率性能和f）CV曲線（1C=372 mA g-1）。g）LiFePO4/石墨袋式全電池的循環性能。h）照片顯示帶有PW@PAN隔膜的LiFePO4/石墨袋式電池可以為紅色LED器件成功供電。}

_{圖5.PCM基隔膜的溫度調節特性。a，b）在釘子穿透測試之前和之后，使用PW@PAN隔膜（a）和Celgard PP隔膜（b）的LiFePO4/隔膜/Li袋式電池的熱成像。c）釘子穿透前后電池的照片。d）Celgard PP和PW@PAN隔膜的比熱。}