DOI:10.1016/j.compscitech.2020.108080
基于對納米纖維電紡隔膜材料和一些有利于提高鋰離子電池電化學性能的摻雜化合物的優異潤濕機械強度的迫切需求,本研究將對納米纖維電紡隔膜材料進行研究,利用靜電紡絲技術首次引入極性八(γ-氯丙基)多面體低聚倍半硅氧烷(OCP-POSS)納米粒子,制備了一種基于耐熱聚酰亞胺(PI)基體的納米纖維復合膜。含3.5 wt% OCP-POSS納米粒子的復合PI/OCP-POSS隔膜(HOPS separator)在潤濕機械強度(11.8 MPa)、電解質保留率(1025%)和凝膠相的傾向等方面都有顯著提高,并且仍具有良好的熱穩定性。同時,具有HOPS隔膜的電池具有較好的電化學穩定窗口(5.2 V)和優異的離子導電性(2.8×10-3 S cm-1)。最重要的是,在0.2℃和91.96%的C速率試驗中,100次循環后的容量保持率達到81.45%,而原始的PI隔膜僅分別達到56.03%和75.90%。此外,改性后的隔膜在1 C和2 C速率下的循環性能均比PP隔膜(Celgard 2400)穩定,這充分說明耐熱HOPS隔膜在高性能、先進安全的鋰離子電池中具有廣闊的應用前景。
圖1.HOPS隔膜和紐扣電池組件的制備示意圖。
圖2.純PI和HOPS膜的SEM圖像(a:S0,b:S1,c:S2和d:S3);將純PI和HOPS膜在電解質中浸泡8 h后的SEM圖像(e:S0,f:S1,g:S2和h:S3);純PI和HOPS膜的XPS光譜(i);純PI膜和HOPS膜在浸入電解液之前和之后的典型應力-應變對比曲線(實線和虛線分別代表干燥和潤濕斷裂強度,即浸入電解液之前和之后的強度)(j) 。
圖3.一滴液體電解質在純PI和HOPS膜上在1 s內的接觸角(a:S0,b:S1,c:S2和d:S3);純PI和HOPS膜6 s內的接觸角(e:S0,f:S1,g:S2和h:S3)。
圖4.(a)純PI和HOPS膜的液體電解質保留率;(b)純PI和HOPS納米纖維膜的孔隙率,以及(c)純PI和HOPS膜的電解質吸收能力隨時間變化。
圖5.(a)具有純PI和HOPS隔膜的鋰離子電池的界面電阻;(b)純PI和HOPS隔膜的阻抗譜;(c)分別在HOPS隔膜和純PI隔膜中傳輸溶劑化Li+的示意圖;(d)純PI和HOPS隔膜的電化學窗口圖。
圖6.(a)在第一個循環中,使用PI和HOPS隔膜,由非水電解質/LiCoO2電池活化的Li/隔膜的恒電流放電曲線;(b)在第100個循環中使用PI和HOPS隔膜的電池的恒電流放電特性;(c)純PI和HOPS隔膜在0.2 C下的循環性能。
圖7.(a)含PI隔膜的非水電解質/LiCoO2電池以0.2、1和2 C活化的Li/隔膜的恒電流放電曲線;(b)含HOPS隔膜的電池在0.2、1和2 C下的恒電流放電特性;(c)使用PI和HOPS隔膜在0.2、1、1.5和2 C下通過非水電解質/LiCoO2電池活化的Li/隔膜的高倍率容量。