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西安交通大学 | 延卫教授团队CEJ: 改性芳纶纳米纤维隔膜助力高安全型锂硫电池

西安交通大学 | 延卫教授团队CEJ: 改性芳纶纳米纤维隔膜助力高安全型锂硫电池 科学材料站
2021-01-30
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导读：该研究基于静电纺丝芳纶纳米纤维和原位生长的ZIF-L(Co)二级纳米片构建了一种耐热性优异的多功能性电池复合隔膜（即Z-PMIA隔膜）。


文章信息

高安全性、多功能MOFs改性芳纶纳米纤维隔膜在锂硫电池中应用
第一作者：刘建伟
通讯作者：延卫，王嘉楠
单位：西安交通大学

研究背景

随着便携式电子设备、电动汽车和智能电网的快速发展，人们迫切需要更高能量密度的储能系统。锂硫电池具有远高于锂离子电池的理论容量（1675 mAh g−1）和能量密度（2600 Wh kg−1），并拥有低成本和环境友好性等诸多优势，被认为是下一代最有潜力商业化应用的高能量密度电池体系之一。
随着锂硫电池技术研究的日趋成熟，如何确保其较高的实用安全性就成为其商业化进程中必须实现的重要挑战。目前，已商业化的聚烯烃多孔隔膜的热稳定性、机械强度等仍未达到理想使用要求，且极易引起火灾及爆炸等安全事故。因此，耐热性好、性质稳定的芳纶隔膜就成为实现高容量、高安全锂硫电池体系的理想替代选择。

文章简介

近日，西安交通大学延卫教授团队在Chemical Engineering Journal 上发表题为“A high-safety and multifunctional MOFs modified aramid nanofiber separator for lithium-sulfur batteries” 的研究工作。
该研究基于静电纺丝芳纶纳米纤维和原位生长的ZIF-L(Co)二级纳米片构建了一种耐热性优异的多功能性电池复合隔膜（即Z-PMIA隔膜）。
得益于芳纶纤维高强度、耐高温特性和ZIF-L (Co)特殊的二级纳米结构，复合隔膜展示出了高的机械强度和优异的热稳定性，并且有利于抑制多硫化物穿梭效应和锂枝晶生长。
图1 Z-PMIA隔膜机理图

本文要点

要点一：分布均匀的3D网状和二级纳米片结构
图2 Z-PMIA复合膜制备流程图及形貌表征
通过静电纺丝法制备了具备三维网状结构的芳纶隔膜（PMIA隔膜），后将片状ZIF-L(Co)原位生长在PMIA隔膜上，合成了Z-PMIA纳米纤维隔膜。SEM图片显示ZIF-L(Co)纳米片均匀负载至PMIA纳米纤维表面，呈现出了良好的多级结构，可为锂离子的扩散/迁移提供高通量通道。

要点二：优异的机械性能（拉伸强度和穿刺强度）和耐热性（耐高温和耐燃）
图3 Z-PMIA隔膜 机械（拉伸强度和穿刺强度）和热（耐高温和耐燃）表征
良好的机械性能对于防止电池在组装或操作过程中因穿刺或拉伸应力而引起的安全的问题至关重要。Z-PMIA隔膜的抗穿刺应力和拉伸强度分别测定为0.95 N和15 MPa,优于常规PP隔膜。
甚至在温度高达200 ℃时，Z-PMIA隔膜也没展现明显的尺寸收缩变化（图3c）。瞬时热稳定性测试（图3d）和阻燃试验（图 3e）结果也表明Z-PMIA隔膜具有优异的热稳定性和自熄特性。

要点三、 采用Z-PMIA隔膜的锂硫电池展示出稳定的循环表现
图4 Z-PMIA隔膜在锂硫电池中的电化学性能
Z-PMIA隔膜独特的二级纳米结构可促进锂离子快速迁移，同时高的比表面积及均匀的微孔孔径，也可有效抑制多硫化物穿梭效应并促进锂的均匀沉积。
因此，利用Z-PMIA隔膜装配的锂硫电池，即使在高负载（9.23 mg cm−2）、贫电解液（E/S= 8 mL g-1）及高温条件下（80 ℃），亦可表现出良好的循环和倍率充放电性能。

文章链接

A high-safety and multifunctional MOFs modified aramid nanofiber separator for lithium-sulfur batteries, Chem. Eng. J. 411 (2021) 128540.
https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.128540

通讯作者介绍

延卫，教授，博士生导师。
研究方向包括水处理及资源化利用、微纳功能材料合成、锂电新材料、电化学与光电催化等。主持各类科研项目30余项。发表各类论文200余篇, H因子30。

王嘉楠，博士。

主要从事新能源及环保材料、锂（硫）电池、气敏传感器的设计开发及应用研究工作。以第一作者和通讯作者身份在 Advanced Energy Materials、ACS Nano等学术刊物发表多篇研究论文，主持国家自然科学基金青年项目在内的各类科研项目7项。


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