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2019-06-30
隔膜是锂离子电池的重要组成部分，目前所使用的隔膜都是多孔的聚丙烯。据估计，对于可充电锂离子电池而言，它的材料成本占电池总成本的65％，聚合物隔膜约占材料成本的11％；而对于钠离子电池而言，聚合物隔膜的成本估计能占到材料成本的20％。在过去的研究里面，人们总是期盼着从电极、电解液等方面来降低锂电池的价格，但长期以来都忽视了隔膜的成本。此外，人们还忽视了另外一个问题：传统的聚合物隔膜是否是最佳的隔膜材料？
（图片来自网络）
其实在很久以前，人们就已经拿纳米颗粒作为聚合物隔膜的涂层或者是与聚合物框架混杂作为隔膜，在这些情况下，纳米颗粒都是用作添加剂来提高电池的循环稳定性，而聚合物才是真正起到作用的隔膜。虽然是配角，但是纳米颗粒已经在这些例子中显示出了自己与众不同的“超能力”：能提高电解液的浸润能力、能耐更高的温度、能够吸收某些锂盐会产生的氟化氢等，并且相比于聚合物隔膜，二氧化硅纳米颗粒还有一个最大的优点—便宜。锂电泰斗John B. Goodenough近期在《Advanced Functional Materials》上发表文章指出，可以使用更便宜、更容易大规模量产的二氧化硅纳米颗粒来代替聚合物作为电池隔膜。相比于传统的聚丙烯隔膜，使用二氧化硅纳米颗粒作为隔膜后，电池的循环稳定性有了较大的提升。
1. 二氧化硅自组装并在电极表面形成隔膜的过程
作者首先通过多次的涂覆，将二氧化硅涂覆在钴酸锂正极的表面，然后再加入电解液和负极，就可以组装成为一个锂离子电池（图1）。
图1. 电池制备过程
通过SEM可以看出，所涂覆的二氧化硅纳米颗粒层厚度为12.3微米，与锂电池中常用的聚丙烯隔膜单层厚度相当（图2）。
图2. 涂覆有二氧化硅纳米粒子的钴酸锂电极的电镜图
2. 电化学性能表征
之后，他们对于所组装的电池进行了一系列的性能表征。通过不同电流密度下的充放电循环测试（图3a，3b为1mA cm-2; 图3c，3d为2mA cm-2），可以看出电池的容量和库伦效率在100次循环中均得到了很好的保持。而与聚丙烯隔膜相比，作者所制备的电池的循环稳定性有了较大的提高，并且整个电池的阻抗也有了降低（图3e, 3f）。
图3 使用二氧化硅纳米颗粒隔膜的锂电池的电化学性能表征
3. 二氧化硅隔膜的稳定性
通过高分辨的红外光谱和氩气溅射之后的XPS光谱，作者证明了二氧化硅纳米颗粒表面不存在水或者羟基基团，因此不会影响整个电池的循环稳定性。作者分别将溅射前和溅射后的二氧化硅组装成电池，在经过50次充放电循环后，XPS表明Si 2p和O 1s的峰位置没有发生明显的变化，说明了二氧化硅隔膜具有较好的稳定性（图4）。
图4. 二氧化硅隔膜稳定性测试
总结一下，Goodenough教授充分发挥了自己的想象力，在大部分人都在研究正极、负极、电解液的时候，他又开创了一个新的研究。二氧化硅纳米颗粒是一个有着成熟的制备路线的材料，制备简单，成本低廉，将其用在电池隔膜上，能使得电池具有较好的循环稳定性。也许在不久的将来，我们就能看到使用二氧化硅隔膜的锂电池。
参考文献：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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