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港城大支春義Nano Energy:用于安全鋰離子電池的雙功能隔膜

港城大支春義Nano Energy:用于安全鋰離子電池的雙功能隔膜
無枝晶鋰離子電池(LIBs)通常需要通過在鋰負極上構建人工SEI層來實現,并且不可避免地要在惡劣的運行條件下進行,這給量產帶來障礙。這個問題可以通過設計具有鋰沉積可調性的多功能隔膜來解決。
香港城市大學支春義等設計了一種名為M-HAP@PVHF的雙功能隔膜,其具有出色的耐火性和有效的鋰枝晶可調性。

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圖1. 雙功能隔膜制備示意圖
其中聚(偏二氟乙烯-共六氟丙烯)(PVHF)因其柔韌性和良好的機械強度而被選為聚合物骨架,羥基磷灰石(HAP)納米線網絡作為火焰-阻燃添加劑,以及具有高親鋰性的柔性二維Ti3C2Tx MXene薄片充當鋰枝晶調節劑。
由于Ti3C2Tx MXene與F末端固有的鋰親和力,這里形成了富含LiF的致密且均勻SEI 層,從而加速鋰離子的剝離和沉積過程并促進均勻的鋰沉積。此外,開發的隔膜顯示出優異的安全性能,在相同的阻燃測試條件下,遠優于傳統的聚丙烯(PP)隔膜。

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圖2. 隔膜的多性能表征
受益于上述優勢,基于M-HAP@PVHF隔膜的對稱電池在2 mA cm-1下可提供700小時的穩定壽命,并具有15.8 mV的超低過電位。同時,這種M-HAP@PVHF 隔膜表現出良好的阻燃性,在防火測試中存活超過20秒,沒有任何明顯的體積收縮。
此外,Li/M-HAP@PVHF/LiCoO2全電池可以保持穩定的150次循環壽命,庫侖效率高于95%。這種雙功能隔膜的合理設計可以顯著提高構建人工SEI層的實際可行性,并有助于降低電池爆炸的風險,為開發高安全性鋰基電池提供了啟示。

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圖3. 全電池性能

Bifunctional Separators Design for Safe Lithium-Ion Batteries: Suppressed Lithium Dendrites and Fire Retardance. Nano Energy 2022. DOI: 10.1016/j.nanoen.2022.107204

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