南京航空航天大学材料科学与技术学院Jianping He--用于锂离子电池安全的阻燃纳米二氧化钛聚酰亚胺复合隔膜

   商用聚烯烃隔膜由于热稳定性差，经常导致锂离子电池爆炸和热失控。因此，各种具有高热稳定性的聚合物隔膜引起了研究人员的关注。本文通过在静电纺丝前向PAA溶液中加入一定含量的纳米TiO₂颗粒，制备了一种特殊的纳米TiO₂/聚酰亚胺（TiO₂@PI）复合隔膜。发现添加的TiO₂陶瓷颗粒大大提高了隔膜的阻燃性能，同时抑制了锂枝晶，防止了电池内部短路。结果，通过连接直径约500 nm的球形珠子，形成了由TiO₂浓度为5.0 wt%的纺丝溶液制备的TiO₂@PI纳米纤维隔膜（5.0-TiO₂@PI），极大地抑制了锂枝晶。它具有更好的性能，例如电解质吸收率（721%）和离子电导率（2.52 mS cm^-1）。基于5.0-TiO₂@PI纳米纤维隔膜的LiCoO₂/Li电池即使在4 C的电流密度下也具有更高的放电容量，优于PE隔膜。这种5.0-TiO₂@PI纳米纤维隔膜的使用对高能量密度电池的安全具有启发意义。

图1 纳米二氧化钛/聚酰亚胺（TiO₂@PI）复合隔膜的制备流程图（a）和反应方程式（b、c）。

图 2 5.0-TiO₂@PI复合膜的XRD图谱。

图 3 纯 PI 膜 (a, e)、1.5-TiO₂@PI (b, f)、3.5-TiO₂@PI (c, g) 和 5.0-TiO₂@PI (d, h) 复合膜的 SEM 和 锂枝晶在锂离子电池中的生长示意图（i）。

图4 . PE隔膜、PI膜、1.5-TiO₂@PI、3.5-TiO₂@PI、5.0-TiO₂@PI复合膜（从左到右）前（上）后（下）160℃加热0.5h（a）; PE隔膜、PI膜和5.0-TiO₂@PI复合膜的TG曲线（b）。

图5 PE隔膜 (a-c)、PI膜(d-f)和5.0-TiO₂@PI 复合膜 (g-i) 的燃烧实验。

图 6. PI 膜 (a) 与 1.5-TiO₂@PI (b)、3.5-TiO₂@PI (c) 和 5.0-TiO₂@PI (d) 复合膜与电解质的接触角。

图 7. 电化学稳定性 (a)、恒流充放电循环曲线 (b)、LiCoO₂||Li 电池的电化学阻抗谱 (c) 和 SS||SS 电池的奈奎斯特图 (d) 与PI隔板和1.5- TiO₂@PI、3.5-TiO₂@PI和5.0-TiO₂@PI 复合隔膜。

图 8. 使用不同 PI 隔膜组装的 LiCoO₂||Li 电池的循环性能 (a) 和倍率性能 (b)。

   相关研究成果由南京航空航天大学材料科学与技术学院Jianping He等人2022年发表在ACS Applied Polymer Materials (https://doi.org/10.1021/acsapm.2c00645)上。原文：Flame-Retardant Nano-TiO2/Polyimide Composite Separator for the Safety of a Lithium-Ion Battery。