Perlmuttartige Separatorbeschichtung für schlagfeste Lithiumbatterien

28.02.2020 - China

Lithium-Batterien können leicht explodieren? Wissenschaftler der University of Science and Technology of China (USTC) haben vielleicht eine Möglichkeit, dies zu verhindern.

Im modernen Leben werden Lithium-Ionen-Batterien als mobile Energiequellen in allen Bereichen des täglichen Lebens eingesetzt, daher ist die Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien sehr wichtig. Als Schlüsselkomponente von Lithium-Ionen-Batterien haben die Separatoren einen starken Einfluss auf die Leistung und insbesondere die Sicherheit von Lithium-Batterien.

Unter der Belastung durch externe Schocks ist der weit verbreitete mikroporöse Polyolefin-Separator jedoch leicht verformbar, begleitet von der Veränderung des inneren porösen Netzwerks, einschließlich des Porenverschlusses, was zu einem inhomogenen Li+-Ionenfluss in der Lithiumbatterie führt, der eine hohe lokale Stromdichte erzeugt, um das Wachstum von Lithium-Dendriten auf der Elektrode auszulösen, was zu einem Kurzschluss und sogar zur Explosion von Lithiumbatterien führt.

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Daher ist es sehr wichtig, einen guten schlagfesten Separator zu entwickeln, um die Sicherheit von Lithiumbatterien zu verbessern.

Kürzlich schlug ein Forschungsteam unter der Leitung von Professor YAO Hongbin, NI Yong und YU Shuhong von der University of Science and Technology of China (USTC) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften eine perlmuttartige Beschichtung des Separators vor, um die Sicherheit der Lithiumbatterie unter äußeren Einflüssen zu verbessern. Die Studie wurde in Advanced Materials veröffentlicht.

In der Studie entwickelten sie eine alkalische, lösungsinduzierte Ätzmethode in den Aragonitplättchen, um die Proteinmatrix zusammen mit einigen Teilen des amorphen Kalziumkarbonats aufzulösen und eine poröse Struktur zu erhalten.

Dann entwickelten sie einen von Perlmutt inspirierten Separator durch die Herstellung einer mehrschichtigen Beschichtung, die aus den porösen Aragonitplättchen (PAPs) besteht, die durch das Polymer gebunden werden, um die kommerzielle keramische Nanopartikelbeschichtung zu ersetzen. Der PAP-beschichtete Separator (PAPCS) weist eine höhere Zugfestigkeit, eine bessere Elektrolytbenetzbarkeit und eine geringere thermische Schrumpfung im Vergleich zum kommerziellen keramischen Nanopartikel beschichteten Separator (CNCS) auf.

Neben einer etwas besseren thermischen Stabilität und elektrochemischen Leistung kann das PAPCS die Batterie beim Auftreffen auf den äußeren Impakt mit einer besseren Verformungsbeständigkeit als das CACS ausstatten. Sie verwendeten dieselben Pellets, um CNCS und den perlmuttartigen Beschichtungsseparator auf gleicher Höhe zu treffen, und beobachteten dann mit Hilfe der Rasterelektronenmikroskopie Veränderungen in der Porenstruktur des Separators. Sie stellten fest, dass die Porenstruktur im Inneren des perlmuttartigen Beschichtungsabscheiders durch den Aufprall des kleinen Pellets gut erhalten blieb, während die inneren Poren des CNCS durch den Aufprall eine sehr ausgeprägte Verformung aufwiesen. Außerdem zeigten sie, dass die Beutelzelle, die mit dem Perlmutt-Separator hergestellt wurde, eine gute Zyklenfestigkeit bei externen Schocks aufweist, was in scharfem Kontrast zu dem schnellen Kurzschluss der Beutelzelle bei der Verwendung kommerzieller CNCS steht.

Die entwickelte, von Perlmutt inspirierte Schutzstrategie wird einen neuen Weg zur Verbesserung der Sicherheit von Lithiumbatterien eröffnen. Die Forscher glauben, dass die in dieser Studie verwendete Methodik für die Industrialisierung sehr gut geeignet ist. Vor der eigentlichen Industrialisierung ist jedoch eine strengere Prüfung des Stromabscheider erforderlich. Wenn es den Charakterisierungstest der Batterieindustrie bestehen kann, kann dieses Projekt in den nächsten zwei Jahren industrialisiert werden.

Als nächstes suchen die Forscher nach neuartigen Bio-Inspirationen, um neue Separatoren mit hohen mechanischen Eigenschaften und einer hohen Lithium-Ionen-Übertragungszahl zu entwickeln. Sie wollen ein prismatisches/perlmuttfarbenes Verbundmembranmaterial bauen, das die Stoßfestigkeit von Lithium-Ionen-Batterien weiter verbessert. Ihr Endziel ist es, fortschrittliche Separatoren für hochleistungsfähige und sichere Lithiumbatterien zu liefern.

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