纳米SiO2 对PMIA锂离子电池隔膜的机械强度和电解液润湿性能的研究

文章信息

Jianjie Wang, Biao Yuan, Fusheng Pan, Lina Qiao, Jun Guo, Cuijia Duan, Wei Wu, Zan Chen, Yanlei Su. Nano-Silica-Decorated Poly(m-phenylene isophthalamide) Separator with Enhanced Mechanicaland Electrolyte Wetting Properties for Lithium-Ion Batteries. Trans Tianjin Univ, 2020: https://doi.org/10.1007/s12209-020-00256-6
原文链接：https://link.springer.com/article/10.1007/s12209-020-00256-6

本文亮点

✍成功制备了纳米二氧化硅修饰聚（间苯二甲酰间苯二胺）（PMIA @ SiO₂）隔离膜，修饰过程无需粘合剂；

✍所制备的隔膜具有良好的润湿性、机械强度，PMIA @ SiO₂隔膜显示出高离子电导率（0.75 mS/cm）和低界面阻抗；

✍高温处理后PMIA @ SiO₂隔膜仍可在锂离子电池中保持良好的性能，可望用于高安全性的锂离子电池。

背景及意义

✍锂离子电池（LIBs）在便携式电子设备和电动汽车中应用非常广泛。而隔膜是LIBs系统中必不可少的组件，可阻止正极和负极之间的短路，确保电池的安全性。目前，LIBs大多数为聚烯烃隔膜，然而，由于其存在热稳定性差，润湿性差和孔隙率低的缺点，这使得聚烯烃类隔膜在LIBs中的使用存在一定局限性。
✍聚间苯二甲酰间苯二胺（PMIA）是一种广泛使用的耐高温材料，具有极高的耐热性（高达400 ℃）、优异的自熄性和较高的耐化学腐蚀性能，因此，是一种很有潜力锂离子电池隔膜材料，但是由其制备的隔膜的机械强度和对电解质的润湿性还有距离实际应用还有一定的提升空间。
✍为此，本文通过用SiO₂纳米粒子修饰以提高LIBs中PMIA隔膜的性能并成功制备了纳米二氧化硅修饰的聚（间苯二甲酰间苯二胺）（PMIA @ SiO₂）隔膜。
SiO₂纳米颗粒均匀地附着在PMIA隔膜的孔壁上，且修饰过程无需粘合剂。与未修饰的PMIA隔膜相比，修饰SiO₂纳米颗粒后，所制备的PMIA @ SiO₂隔膜表现出良好的机械强度和对电解液的润湿性，（机械强度提高了16％，接触角从34.0°减小至23.1°），PMIA @ SiO₂隔膜在液体电解质中离子电导率高达0.75 mS/cm（PMIA隔膜0.52 mS/cm）。
同时，由LiCoO₂ / PMIA @ SiO₂隔膜-液体电解质/Li 所构成电池表现出良好的循环性能，在50次循环后容量保持率为88.1％。此外，高温处理后的循环性能和倍率容量几乎不变。
因此，纳米二氧化硅修饰的PMIA隔膜可望用于高安全性的LIBs。

主要结论

⓵成功地制备了具有良好机械强度（与原始PMIA相比提高了16％）并且对电解质具有润湿性的纳米二氧化硅修饰的PMIA隔膜。
⓶SiO₂纳米颗粒均匀修饰多孔隔膜的表面和内孔壁，提高了隔板的机械强度和润湿性。

⓷所制备的PMIA@ SiO₂隔膜显示出高离子电导率（0.75 mS/cm）和低界面阻抗。
⓸与PMIA @ SiO₂隔板组装的LIBs在50个循环后的容量保持率为88.1％。经过高温处理后PMIA @ SiO₂隔膜仍可在LIBs中保持良好的性能。

图文导读

图1 P1MIA @ SiO₂隔膜的制备示意

图2 a PMIA、c PMIA @ SiO₂-B和e PMIA @ SiO₂表面及其b PMIA、d PMIA @ SiO₂-B和f PMIA @ SiO₂横截面的SEM图

图3 a PMIA和PMIA @ SiO₂隔膜全范围扫描的XPS光谱、b PMIA的O1s峰、 d PMIA @ SiO₂的O1s峰；c PMIA和PMIA @ SiO₂隔膜的FTIR

图4 PMIA和PMIA @ SiO₂隔膜的应力-应变曲线

图5 a 不同温度下PP、PMIA和PMIA @ SiO₂隔膜的形状变化以及b PMIA和PMIA @ SiO₂隔膜的热重分析图

图6 a PMIA和b PMIA @ SiO₂隔膜的接触角

表1 隔膜的物理性质

Separator	Uptake (%)	Porosity (%)
PMIA	149.28	65.74
PMIA @ SiO2	208.15	65.51

图7 a 不同温度下浸有液体电解液的PMIA和PMIA @ SiO₂隔膜的交流阻抗谱；b 不同温度下PMIA和PMIA @ SiO₂隔膜的LIBs倍率性能；c 不同温度下Li /隔膜液体电解质/Li电池中PMIA和PMIA @ SiO₂隔膜的界面电阻；d 不同温度下PMIA和PMIA @ SiO₂隔膜的LIBs循环性能。

通讯作者

苏彦磊，天津大学化工学院副教授，2003年毕业于中国科学院，获工学博士学位。他曾获多个奖项，2005年全国优秀博士论文提名奖，2003年北京科学技术奖二等奖，中国科学院院长优秀奖（2003年），中国分析测试协会科学技术奖（CAIA奖）二等奖（2003年）。在同行评审期刊上发表50多篇论文，并应邀在化工领域国内和国际会议上作报告。目前开展膜分离科学和技术方面的研究，关注通透性仿生膜、抗污染膜、刺激响应（智能）膜、可控吸附-脱附膜等。

陈赞，博士，高级工程师。2009年毕业于大连理工大学。中海油天津化工研究设计院有限公司膜与膜过程实验室主任，天津市创新人才推进计划重点领域创新团队负责人。曾获得多个奖项，中海油集团公司“个人成就奖”（2015年），北京市科学技术奖二等奖（2003年），中海油集团公司技术发明二等奖（2017年），中海油天津分公司科技二等奖（2017年），中海油发展科技成果二等奖（2018年），中海油发展成果转化三等奖（2019年），在同行评审期刊上发表论文十余篇，关注分子筛复合膜材料、天然气脱CO₂膜材料及工艺研究。

Transactions of Tianjin University

天津大学学报（英文版)

主编：巩金龙副主编：张强/Rafael Luque/张铁锐电话 : [phone]
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