电化学活性隔膜增加锂离子电池容量

本文摘要：【章节】商业化锂离子电池的容量受限于负极材料的理论容量。目前，研究人员主要通过研发新型负极材料和改进电极工程技术来提升电池的充放电容量，很少有研究注目在通过提高电池中电极材料之外的部分来提高电池的容量。 隔膜是锂离子电池的最重要组成部分，它直接影响着锂离子电池的使用寿命、安全性、能量密度和功率密度。商业化锂离子电池隔膜一般来说是由聚烯烃制取而出，其电解液浸润性较好和热稳定性不欠佳。

【章节】商业化锂离子电池的容量受限于负极材料的理论容量。目前，研究人员主要通过研发新型负极材料和改进电极工程技术来提升电池的充放电容量，很少有研究注目在通过提高电池中电极材料之外的部分来提高电池的容量。

隔膜是锂离子电池的最重要组成部分，它直接影响着锂离子电池的使用寿命、安全性、能量密度和功率密度。商业化锂离子电池隔膜一般来说是由聚烯烃制取而出，其电解液浸润性较好和热稳定性不欠佳。可再生，价格低廉的纤维素隔膜具备亲水性好，结构可调和低柔性，热稳定性低和生产工艺非常简单等优点。

现今，对于纤维素恩隔膜的研究工作主要集中于在研发具备较好电解液浸润性的安全性隔膜上，对于制取化学功能化同时能提升电池容量的纤维素恩隔膜的研究少之又少。必须说明地是，传统商业化隔膜和其改性隔膜在单体电池中占15－20％左右的体积，在理论上可以通过增加隔膜的厚度来适当减少其它活性材料的体积从而提升电池容量。但是至今为止还没可信的方法来制取超薄的隔膜，同时维持电池隔膜的适当的最重要的特性。

【成果概述】近日，瑞典乌普萨拉大学汪朝晖资深研究员和LeifNyholm（联合通讯作者）等人在AdvancedScience上公开发表了一篇为题“Redox－ActiveSeparatorsforLithium－IonBatteries”的研究成果。本工作中，该研究团队通过非常简单的纺织工艺制取得由纳米纤维素纤维（NCFs）和凝吡咯（PPy）复合材料构成的柔性介孔水解还原成活性隔膜。该水解还原成活性隔膜具备双层结构，其中一侧为大约3μm薄的绝缘NCF层，另一侧则由厚度固定式的水解还原成活性的PPy／NCF填充层构成。

其中，NCF层起着电极之间的主要绝缘起到，水解还原成活性的PPy／NCF填充层可为NCF层获取机械承托，同时为锂离子电池获取额外的容量。该研究团队研究找到，就热稳定性和电解质润湿性而言，柔性水解还原成活性隔膜比商业聚乙烯隔膜（PE）不存在着明显的优势；水解还原成活性隔膜在概念检验电池的循环过程中未仔细观察到短路的现象，并且由于含PPy层的不存在，电池的容量不存在着显著的减少。在概念电池中，当LiFePO4（LFP）为负极，使用水解还原成活性隔膜的锂离子电池可以展现出出有67μAhcm－3／81mAhg－1的容量，较使用传统隔膜的锂离子电池所取得的容量更高（以隔膜与负极总体积／重量基础）。这指出，用于水解还原成活性隔膜通过更换隔膜的方法可以为减少传统锂离子电池容量获取了一种新方法。

【图文简介】图一a）传统隔膜，b）水解还原成活性隔膜的侧边示意图注解：浅绿色区域：绝缘材料；深灰色区域：水解还原成活性组分设计思路：通过将厚的绝缘层与由导电的水解还原性材料构成的多孔承托层结合，从而取得具备类似于常规隔膜的厚度的柔性水解还原成活性隔膜，不仅可以确保电池的安全性运营，同时可以减少电池的容量。图二氧化还原成活性隔膜的制取和形态特征a）水解还原成活性隔膜的制取过程示意图；b）柔性水解还原成活性隔膜的照片；c）NCF层的SEM图；d）含PPy层的SEM图；e）断裂的水解还原成活性隔膜的SEM图。图三有所不同膜的孔结构NCF基隔膜，水解还原成活性隔膜，PPy＠NCFs复合膜：a）孔径产于；b）积累孔体积。

图四热稳定性和电解液润湿性测试a）增高温度的条件下，PE隔膜（上图）和水解还原成活性隔膜（右图）的热稳定性测试（左图：热处理之前；右图：热处理之后）；b）PE隔膜和水解还原成活性隔膜的电解液润湿性测试（左图：滴加电解液之前；右图：滴加电解液之后）。

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