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2019-06-30
??隔膜是鋰離子電池的重要組成部分，目前所使用的隔膜都是多孔的聚丙烯。據估計，對于可充電鋰離子電池而言，它的材料成本占電池總成本的65％，聚合物隔膜約占材料成本的11％；而對于鈉離子電池而言，聚合物隔膜的成本估計能占到材料成本的20％。在過去的研究里面，人們總是期盼著從電極、電解液等方面來降低鋰電池的價格，但長期以來都忽視了隔膜的成本。此外，人們還忽視了另外一個問題：傳統(tǒng)的聚合物隔膜是否是最佳的隔膜材料？
（圖片來自網絡）
其實在很久以前，人們就已經拿納米顆粒作為聚合物隔膜的涂層或者是與聚合物框架混雜作為隔膜，在這些情況下，納米顆粒都是用作添加劑來提高電池的循環(huán)穩(wěn)定性，而聚合物才是真正起到作用的隔膜。雖然是配角，但是納米顆粒已經在這些例子中顯示出了自己與眾不同的“超能力”：能提高電解液的浸潤能力、能耐更高的溫度、能夠吸收某些鋰鹽會產生的氟化氫等，并且相比于聚合物隔膜，二氧化硅納米顆粒還有一個最大的優(yōu)點—便宜。鋰電泰斗John B. Goodenough近期在《Advanced Functional Materials》上發(fā)表文章指出，可以使用更便宜、更容易大規(guī)模量產的二氧化硅納米顆粒來代替聚合物作為電池隔膜。相比于傳統(tǒng)的聚丙烯隔膜，使用二氧化硅納米顆粒作為隔膜后，電池的循環(huán)穩(wěn)定性有了較大的提升。
1. 二氧化硅自組裝并在電極表面形成隔膜的過程
作者首先通過多次的涂覆，將二氧化硅涂覆在鈷酸鋰正極的表面，然后再加入電解液和負極，就可以組裝成為一個鋰離子電池（圖1）。
圖1. 電池制備過程
通過SEM可以看出，所涂覆的二氧化硅納米顆粒層厚度為12.3微米，與鋰電池中常用的聚丙烯隔膜單層厚度相當（圖2）。
圖2. 涂覆有二氧化硅納米粒子的鈷酸鋰電極的電鏡圖
2. 電化學性能表征
之后，他們對于所組裝的電池進行了一系列的性能表征。通過不同電流密度下的充放電循環(huán)測試（圖3a，3b為1mA cm-2; 圖3c，3d為2mA cm-2），可以看出電池的容量和庫倫效率在100次循環(huán)中均得到了很好的保持。而與聚丙烯隔膜相比，作者所制備的電池的循環(huán)穩(wěn)定性有了較大的提高，并且整個電池的阻抗也有了降低（圖3e, 3f）。
圖3 使用二氧化硅納米顆粒隔膜的鋰電池的電化學性能表征
3. 二氧化硅隔膜的穩(wěn)定性
通過高分辨的紅外光譜和氬氣濺射之后的XPS光譜，作者證明了二氧化硅納米顆粒表面不存在水或者羥基基團，因此不會影響整個電池的循環(huán)穩(wěn)定性。作者分別將濺射前和濺射后的二氧化硅組裝成電池，在經過50次充放電循環(huán)后，XPS表明Si 2p和O 1s的峰位置沒有發(fā)生明顯的變化，說明了二氧化硅隔膜具有較好的穩(wěn)定性（圖4）。
圖4. 二氧化硅隔膜穩(wěn)定性測試
總結一下，Goodenough教授充分發(fā)揮了自己的想象力，在大部分人都在研究正極、負極、電解液的時候，他又開創(chuàng)了一個新的研究。二氧化硅納米顆粒是一個有著成熟的制備路線的材料，制備簡單，成本低廉，將其用在電池隔膜上，能使得電池具有較好的循環(huán)穩(wěn)定性。也許在不久的將來，我們就能看到使用二氧化硅隔膜的鋰電池。
參考文獻：Grundish, N. S., Amos, C. D.,Agrawal, A., Khani, H., Goodenough, J. B., Low‐Cost Self‐Assembled OxideSeparator for Rechargeable Batteries. Adv. Funct. Mater. 2019, 1903550.
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