DOI: 10.1016/j.cej.2021.129992
出于对高安全性储能装置的需求,本文报道了一种新型高性能核/壳结构PI/SiO2无机-有机复合隔膜。该聚合物隔膜具有良好的阻燃性、较强的力学性能、较好的热稳定性和较高的离子传输效率。与传统的陶瓷改性隔膜不同,这种杂化隔膜是通过原位纳米封装水解制备而成的。选择原硅酸四丁酯(TBOS)作为SiO2的前体涂覆在PI纳米纤维表面上,这使得水解二氧化硅具有较高的保留率,形成了致密/均匀的涂层。由于形成了二氧化硅纳米壳,PI/SiO2纳米纤维隔膜的拉伸强度高达73.69Mpa,接触角仅为6.8°,在378℃下具有良好的热稳定性。配备复合隔膜的NCM811半电池在5C时显示出146mAh·g-1的巨大容量,这比使用原始PI隔膜和Celgard-2400隔膜的电池要好得多。配备PI/SiO2隔膜的电池在100次循环期间具有优异的循环稳定性,几乎没有能量衰减。这项研究为制备高性能不可燃有机-无机复合隔膜提供了新的策略。
图1.通过原位纳米封装水解方法对PI纳米纤维隔膜进行表面SiO2纳米封装。(a)PI/SiO2纳米纤维隔膜的示意图。(b)PI/SiO2和PI隔膜之间的性能对比。(c)通过原位纳米封装水解技术制备PI/SiO2复合隔膜的流程图。
图2.(a)PI/SiO2复合隔膜的SEM照片。(b)原始PI隔膜的SEM照片。(c)PI/SiO2纳米纤维和(d)原始PI纳米纤维的TEM照片。(e)PI/SiO2纳米纤维隔膜横截面的SEM图片。(f)PI和PI/SiO2纳米纤维隔膜的XPS表征。(g)PAA、PAA+TBOS、PI隔膜和PI/SiO2隔膜的FTIR图像。(h)PI/SiO2纳米纤维的EDS图像。
图3.PI/SiO2纳米纤维隔膜的机械特性和润湿性。(a)PI纳米纤维和PI/SiO2纳米纤维的机械强度图。(b)PI/SiO2复合隔膜优异柔性的展示。(c)三种隔膜的电解质接触角测试。(d)图片描绘了渗透过程。
图4.(a)PI/SiO2纳米纤维隔膜的热性能。(b)分别显示Celgard-2400隔膜、PI隔膜和PI/SiO2复合隔膜热稳定性的数字图片。(c-e)分别显示Celgard-2400隔膜、PI隔膜和PI/SiO2纳米纤维隔膜阻燃性的数码照片。
图5.在25℃下进行的电池性能测试。(a)0.1C下的充放电图,(b)5C下的充放电图,(c)充放电倍率性能,(d)1C下的循环性能,(e,f)PI和原位纳米封装水解PI/SiO2纳米纤维隔膜提高Li+传输效率的机理。