姚宏斌课题组Advanced Materials：仿珍珠母层隔膜提升锂电池抗冲击性能

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多孔的聚烯烃因其优异的电化学稳定性而被广泛地用做商业化锂离子电池隔膜。作为电池正负极之间防短路的隔绝层，聚烯烃隔膜极大地影响着电池的安全性能。其内部的多孔结构有利于电池在充放电过程中的锂离子通过，但也导致了隔膜较差的机械性能。尤其是当隔膜受到外部的局部冲击时，其内部孔结构必然会产生畸变导致开裂和部分孔关闭，从而影响锂电池的性能和安全性。

仿珍珠母层隔膜

　　近日，中国科学技术大学教授姚宏斌、倪勇和俞书宏研究团队受珍珠层具有高韧性的启发，提出了一种强化聚烯烃隔膜抗冲击韧性的方法。该团队通过在聚乙烯隔膜表面构建仿珍珠层涂层，有效地维持了冲击后隔膜内部的孔结构，从而保证了电池充放电过程中具有均匀的锂离子流。相对于使用商业陶瓷隔膜的软包电池，采用仿珍珠层隔膜的软包电池在冲击时表现出较小的开路电压变化和较好的循环稳定性以及高的安全性。该研究成果于11月6日以A Nacre-Inspired Separator Coating for Impact-Tolerant Lithium Batteries 为题在线发表在《先进材料》（Advanced Materials）上。
　　目前广泛使用陶瓷纳米颗粒涂层来提高聚烯烃隔膜的热稳定和对电解液的浸润性，然而受力分析表明纳米颗粒涂层很难有效地抵抗局域化的外力冲击作用，其必然会导致电池内部在充放电过程具有不均匀的锂离子流，引发电极上不均匀的锂沉积甚至导致锂枝晶的生成。该研究团队在深刻理解自然界珍珠母层高韧性原理的基础上，在聚乙烯隔膜表面构建仿珍珠层的“砖泥”有序结构。在受到外力冲击时，仿珍珠母涂层通过片片滑移的作用有效地扩大受力面积来耗散冲击的应力，从而有效地保护了隔膜内部孔结构，维持电池内部均匀的锂离子流。
　　为了进一步证实珍珠层启发的隔膜对商业化电池安全性的作用，研究团队对两种隔膜组装的软包电池进行冲击试验。与使用商业纳米颗粒涂层隔膜的软包电池相比，运用仿珍珠母层隔膜的软包电池显示出更低的瞬时开路电压变化和更快的电压恢复。研究团队还继续考察了受两次冲击后软包电池的长循环性能，使用仿珍珠母涂层隔膜的软包电池在超过80个循环中仍显示出良好的稳定性。上述研究结果表明，仿珍珠母层隔膜对电池具有良好的保护作用并且可以有效地降低许多安全隐患。
　　该工作提出了构建仿珍珠层增韧隔膜的策略，并从理论模拟和实验测试上证明其提升锂电池抗冲击的能力，这将为今后提升锂电池的安全性开辟新途径。
　　该论文共同第一作者为中国科大化学与材料科学学院应用化学系硕士生宋永慧与近代力学系博士生吴开金。该研究得到科技部、国家自然科学基金委、中科院和国家同步辐射国家实验室的支持。


       锂电池的结构中，隔膜是关键的内层组件之一。隔膜的性能决定了电池的界面结构、内阻等，直接影响电池的容量、循环以及安全性能等特性，性能优异的隔膜对提高电池的综合性能具有重要的作用。 隔膜的主要作用是使电池的正、负极分隔开来，防止两极接触而短路，此外还具有能使电解质离子通过的功能。隔膜材质是不导电的，其物理化学性质对电池的性能有很大的影响。电池的种类不同，采用的隔膜也不同。对于锂电池系列，由于电解液为有机溶剂体系，因而需要有耐有机溶剂的隔膜材料，一般采用高强度薄膜化的聚烯烃多孔膜。


       姚宏斌，男，中国科学技术大学教授。1983年12 月生于重庆黔江。2011年在合肥微尺度国家实验室获得博士学位，其后在美国斯坦福大学从事博士后研究工作，主要从事仿生微纳结构复合材料和高性能锂离子电池电极材料的研究。已在Nat. Commun.，J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Nano Lett., Energy Environ. Sci.等国际著名期刊上发表论文70余篇，总被引2300余次，H指数31，单篇他引超过100次有4篇。


       俞书宏，安徽庐江人，1967年8月生。中国科学技术大学教授，博士生导师，教育部“长江学者奖励计划”长江特聘教授（2006年-）、国家杰出青年基金获得者（2003年-）、中国科学院“引进国外杰出人才”（2002年）、中央七部委“新世纪百千万人才工程”国家级人选（2006-）、国家重大科学研究计划项目首席科学家（2010-）。 1988年7月获合肥工业大学无机专业学士学位，1991年5月获上海化学工业研究院硕士学位, 1998年10月获中国科学技术大学化学系无机化学专业博士学位，1999年-2001年获在日本东京工业大学材料与结构实验室从事博士后研究，2001年?2002年获德国洪堡基金会(AvH)资助(任洪堡外国科学家研究员)，在德国马普学会胶体与界面研究所工作。2002年入选中国科学院“引进国外杰出人才”，在中国科学技术大学任教，博士生导师。现任中国科学技术大学化学系教授，合肥微尺度物质科学国家实验室（筹）责任研究员，国家同步辐射实验室首批特聘研究员，上海交通大学客座教授，合肥工业大学兼职教授。