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中國科學(xué)院近代物理研究所材料研究中心科研人員與蘭州大學(xué)、先進(jìn)能源科學(xué)與技術(shù)廣東省實(shí)驗(yàn)室等相關(guān)團(tuán)隊(duì)合作，利用離子徑跡技術(shù)研制出用于高性能鋰離子電池的聚酰亞胺耐高溫隔膜。相關(guān)研究成果于11月5日發(fā)表在美國化學(xué)學(xué)會(huì)納米期刊（ACS Nano）上。

隔膜作為鋰離子電池的關(guān)鍵部件之一，具有隔絕正負(fù)極和傳導(dǎo)鋰離子的功能，對(duì)電池的安全性至關(guān)重要。目前，商用鋰離子電池的能量密度可達(dá)300瓦時(shí)每千克，并有望進(jìn)一步得到提升。然而，在追求鋰離子電池更高能量密度的同時(shí)，安全性問題不容忽視。傳統(tǒng)聚烯烴隔膜熱穩(wěn)定性差，孔隙結(jié)構(gòu)不均一，在高溫下容易收縮并造成電池內(nèi)部短路和引發(fā)熱失控。

聚酰亞胺因熱穩(wěn)定性優(yōu)異、機(jī)械強(qiáng)度高、化學(xué)穩(wěn)定性良好被視為是高安全性隔膜的理想選擇。因此，針對(duì)聚酰亞胺開展深入研究，開發(fā)具有均一孔道結(jié)構(gòu)的聚酰亞胺隔膜并實(shí)現(xiàn)可控制備，對(duì)于充分發(fā)揮隔膜在提高電池安全性方面的作用十分重要。

科研人員依托蘭州重離子研究裝置（HIRFL），開發(fā)出基于離子徑跡技術(shù)的耐高溫聚酰亞胺隔膜制備新工藝。所制備的隔膜相較于傳統(tǒng)聚烯烴隔膜優(yōu)勢(shì)明顯，其機(jī)械強(qiáng)度高達(dá)150.6兆帕，耐高溫性能卓越（450攝氏度下結(jié)構(gòu)不收縮），孔徑分布窄（孔徑標(biāo)準(zhǔn)差＜6%），孔道結(jié)構(gòu)垂直排列（迂曲度為1）。在3毫安每平方厘米的條件下，使用該隔膜的鋰/鋰對(duì)稱電池可穩(wěn)定循環(huán)1200小時(shí)，且在鋰金屬電極表面實(shí)現(xiàn)均勻、致密的鋰沉積，表明其具有優(yōu)異的鋰枝晶抑制能力。此外，使用該隔膜的磷酸鐵鋰軟包電池在常溫下可穩(wěn)定循環(huán)1000次，容量保持率為73.25%，并表現(xiàn)出優(yōu)異的高溫性能，可在150攝氏度的環(huán)境溫度下正常工作（見下圖1）。

該研究工作為開發(fā)可靠的具有耐高溫高性能鋰離子電池隔膜和工藝提供了新思路，成為提高鋰離子電池安全性的有效途徑和手段之一。

此項(xiàng)工作第一作者為近代物理所博士研究生張琦忠和蘭州大學(xué)博士研究生陳林景，通訊作者為近代物理所劉杰研究員和姚會(huì)軍研究員。該工作得到了先進(jìn)能源科學(xué)與技術(shù)廣東省實(shí)驗(yàn)室、國家自然科學(xué)基金的支持。

文章鏈接：https://doi.org/10.1021/acsnano.4c11217

圖1 ：聚酰亞胺離子徑跡膜（左側(cè)）和傳統(tǒng)多孔隔膜（右側(cè)）的安全特性示意圖

圖2 ：磷酸鐵鋰軟包電池的長(zhǎng)循環(huán)性能對(duì)照

PITEMs:聚酰亞胺離子徑跡隔膜；CPS：商業(yè)聚烯烴隔膜

（材料研究中心 ??供稿）