研究背景

随着便携式电子设备、电动汽车和大规模储能市场的爆炸性增长，对高能量密度锂金属电池的需求越来越强烈。然而，追求更高能量密度的同时，电池也将面临着越来越大的安全挑战。其中最严重的安全问题是由机械损坏、过度充电或热滥用引起的热失控。一旦电池包发生热失控，电芯内部可能引发类似链式反应的放热，甚至导致相邻电芯过热、起火甚至电池包的爆炸，这些后果必须不惜一切代价避免，以提升电池使用的幸福感。

为增强电池的热安全性，已有大量研究致力于管理电池的热特性，其中隔膜设计是从电芯层面切断热滥用传播的有效策略之一。商业的聚烯烃隔膜（如聚乙烯（PE）或聚丙烯（PP））在高温下容易收缩，从而导致电芯内部短路。为了解决聚烯烃隔膜的高温收缩问题，涂覆耐热陶瓷材料的聚烯烃基隔膜或者耐热聚合物隔膜（如聚酰亚胺和芳纶）被探索用于提升隔膜耐热性。然而，这些耐热隔膜在过热条件下仍无法阻断电芯内链式副反应发生或辅助电池管理系统（BMS）主动关闭电池工作。为了限制副反应化学物质串扰，具有过热响应机制的热闭孔隔膜被探索用于减轻电芯中灾难性的放热反应。然而，大多数热闭孔隔膜（如PP-PE-PP隔膜）的过热响应层的相变不均匀，仍存在不均匀热收缩问题。因此，如何全面整合隔膜的热特性以提升高能量密度电池的高安全性，至今仍不明确。

文章简介

近日，课题组在Energy & Environmental Science上发表题为“Rationally coupling thermal tolerance, thermal conductance, and overheating-response in a separator for safe batteries”的研究论文。通过电-化学-热等多物理场模拟探究了隔膜的各种热性能在阻断热失控的关键作用，并提出了一种合理耦合耐热-导热-过热响应（TCOR）特性的隔膜设计可提升电池热安全性方面。为了将理论发现转化为实际解决方案，他们将各种材料的耐热性、导热性和过热响应性能合理结合，开发出一种具备TCOR功能性的电池隔膜。该款电池隔膜兼具不燃性、高温下的防收缩性能以及过热条件下的均匀闭孔等优异性能，最终将触发电池热失控前的安全响应窗口扩大了两倍，极大提升了电池的热安全性。

本文要点

1. 通过耦合电-化学-热等多物理场仿真模拟的指导下，提出了一种合理耦合耐热-导热-过热响应（TCOR）特性的隔膜设计，以增强高能量密度电池的热安全性。

2. 依据TCOR功能性隔膜的设计原则，制备了一种三明治结构的PBO-BN/PVDF隔膜，表现出兼具不燃性、高温下的防收缩性能以及过热条件下的均匀闭孔等优异性能。

3. 采用PBO-BN/PVDF隔膜组装的Li|Li对称电池表现出稳定的低极化电位和长循环寿命（在25 °C下可运行2000小时）； 其组装的Li|NCM811扣式电池在140 °C下仍能正常工作，表现出的异常极化电压便于BMS系统提前识别热失控电芯；其组装的Li|NCM811软包电池表现出更高的热失控临界温度和更长的热失控触发时间。

4. PBO-BN/PVDF隔膜能够有效延缓电池热失控的发生，增加了BMS系统提前预警和管理潜在热失控的时间窗口，证明了TCOR耦合策略的有效性和必要性，为强化高能量密度电池的热安全性提供了新的途径。

文章链接

https://doi.org/10.1039/D4EE02302A 

第一作者简介

鲁浩天，本科毕业于山东大学化学与化工学院，2023年获得新加坡国立大学博士学位。师从天津大学杨全红教授、杨春鹏教授以及新加坡国立大学陈伟教授，从事高安全高比能金属电池的数字模型开发和材料设计。以第一作者在Energy & Environmental Science、ACS Energy Letters、Energy Storage Materials、Nano Research等期刊发表论文8篇。目前就职于某头部新能源企业，从事电芯-系统等层级的数字模型开发。

杜澳，天津大学化工学院2022级硕士生，导师为杨春鹏教授，本科毕业于郑州大学化学学院。致力于高强高导的聚合物固态电解质以及热安全聚合物隔膜的研究，以解决锂金属负极稳定性问题，实现高比能高安全的锂金属电池。

2024-09-12