北京航空航天大学陈科/王华/张勇波AFM：受搪瓷启发的聚乙烯纳米复合电池隔膜！
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阅读： 2024/1/27 14:41:01
微孔聚乙烯（PE）膜是一种具有代表性的锂离子电池（LIB）隔膜，但它经常收缩，尤其是在高温条件下，并且在生长锂枝晶时容易被刺穿，从而导致短路、热失控甚至爆炸等严重后果。
近日，北京航空航天大学陈科副教授、王华教授、张勇波副教授等报告了一种准连续策略，即利用原位釉质矿化工程，然后进行热处理，轻松开发出具有强大机械性能和优异抗热收缩性的大面积三维交错羟基磷灰石纳米片阵列增强PE纳米复合隔膜。研究显示，120℃加热获得的纳米复合材料具有优异的断裂应力、≈434.4 MJ m-3的超高韧性和≈0.69的增强摩擦系数，显著高于商用PE隔膜，并远远超过已报道的陶瓷改性PE隔膜。此外，在180℃的加热温度下，该纳米复合材料的伸长率达到了惊人的≈2456.4% ，且没有发生任何断裂。原位观察和有限元模拟表明，有机-无机界面的高效能量耗散和机械互锁以及相互支撑的混合微观结构共同作用，产生了令人印象深刻的机械和耐热集成效果。总体而言，这种受搪瓷启发的隔膜有可能应用于更安全的高温锂离子电池中，并且这种策略为开发其他高性能聚合物基纳米复合材料提供了宝贵的指导。
文章要点：
1. 这项工作开发了一种准连续策略，即利用原位釉质矿化工程，然后进行热处理，成功合成了三维交错羟基磷灰石纳米片阵列（HAP-NA）增强的聚乙烯（HAP-NA/PE）纳米复合膜。
2. 具体而言，首先是在聚乙烯膜的两侧形成有序、三维交错的磷酸八钙（Ca8(HPO4)2(PO4)4·5H2O，OCP）纳米片阵列（OCP-NA），然后通过毛细管力将熔融的PE部分吸入纳米片阵列层的间隙中，同时在热处理过程中实现从OCP到HAP的相变，最终形成相互支撑的三维混合HAP-NA/PE微结构。
3. 所得纳米复合材料隔膜具有优异的抗热收缩性能（隔膜在200℃之前不会明显收缩，也不会起皱）、坚固的机械性能、优异的润湿性、多孔的微观结构以及无 "滴渣"等特点。
4. 实验和模拟结果证明，这种独特的组合可归因于有机-无机界面的高效能量耗散和三维机械互锁互撑混合HAP-NA/PE微结构的共同作用。
图1 搪瓷启发的HAP-NA/PE纳米复合隔膜的设计灵感、制备工艺和SEM显微结构特征
图2 PE、HAP纳米薄片、OCP-NA/PE和HAP-NA/PE纳米复合膜的表征
图3 纯PE、OCP-NA/PE和HAP-NA/PE纳米复合膜的力学性能
图4 电化学性能对比
原文链接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202308039
转自：“高分子科学前沿”微信公众号
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