鋰離子電池（LIB）由于其高能量密度和長循環(huán)性能，在電動汽車、儲能電站等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。然而，這些高能量密度鋰離子電池更可能導(dǎo)致熱失控，因此，人們在電池組件和電池管理系統(tǒng)的材料上進(jìn)行了許多努力，以提高鋰離子電池的安全性。隔膜是LIBs中的重要部件，因為它們隔離高能電極以避免內(nèi)部短路，從而確保LIBs的安全工作。然而，基于聚烯烴的商用隔膜存在一些嚴(yán)重阻礙LIBs性能的缺點，例如高溫下的熱收縮和低電解質(zhì)潤濕性。聚酰亞胺（PI）基隔膜因其良好的耐熱性（>300℃）、化學(xué)穩(wěn)定性和優(yōu)異的機械性能而被視為下一代隔膜。到目前為止，由于其低成本、可控性和高孔隙率的優(yōu)點，人們已經(jīng)進(jìn)行了大量的嘗試來通過靜電紡絲制備PI隔膜。然而，通過靜電紡絲技術(shù)制備的大多數(shù)非織造隔膜的機械強度較弱，并且由于其大孔徑和寬孔徑分布，可能會發(fā)生自放電和電解質(zhì)泄漏。此外，靜電紡絲法難以應(yīng)用于工業(yè)規(guī)模制造，因為無法完全解決生產(chǎn)率低、再現(xiàn)性差和環(huán)境問題。
鑒于上述問題，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)程旭東副研究員、張和平研究員等采用了簡單的溶膠-凝膠方法制備了一種孔隙率均勻、耐高溫、電化學(xué)性能優(yōu)異的新型聚酰亞胺氣凝膠隔膜（PIA），并首次將其應(yīng)用在了鋰離子電池中。PIA隔膜優(yōu)異的孔隙率（78.35%）和電解液吸收率（321.66%）有助于LIBs的低內(nèi)阻和優(yōu)異電化學(xué)性能，在1000次1 C電流循環(huán)后可以保持118 mAh g?1高比容量。相關(guān)工作近期以題為“Novel Thermotolerant and Flexible Polyimide Aerogel Separator Achieving Advanced Lithium-Ion Batteries “發(fā)表在了《Advanced Functional Materials》上。
將聚酰亞胺溶液滴在自動薄膜涂布機上以形成聚酰亞胺凝膠膜。經(jīng)過老化、溶劑交換和超臨界干燥，制備了柔性PIA膜，將其用作電池隔膜。所制備的PIA隔膜的結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為由厚度為20至50 nm的聚合物鏈形成的多孔框架，其中含有大量有序孔。使用Brunauer–Emmet–Teller（BET）方法進(jìn)行N2吸附/解吸測量，PIA分離器的BET比表面積和平均孔徑為178.7 m2 g?1和91nm。
PIA隔膜的制備工藝及基本特性
具有足夠熱穩(wěn)定性的先進(jìn)隔膜是降低熱失控風(fēng)險和在高溫條件下保持電池電化學(xué)性能的關(guān)鍵。進(jìn)行熱收縮試驗，通過將樣品放置在分級加熱爐中30分鐘，目視評估分離器的熱穩(wěn)定性。，在室溫高達(dá)200°C時，未觀察到PIA分離器的明顯收縮，而Celgard隔膜在200°C下完全熔化。此外，即使在300°C下，PIA分離器仍能保持原始形狀和顏色。
熱穩(wěn)定性分析
為了研究PIA隔膜的熱解機理和產(chǎn)物，在國家同步輻射實驗室（NSRL）的燃燒質(zhì)譜光束線（BL03U）上進(jìn)行了SVUV-PIMS實驗，PIA分離器在50-800°C氮氣氛圍下所有熱解產(chǎn)物的光離子化質(zhì)譜，主要包括CH4 (m/z = 16), NH3 (m/z = 17), CO (m/z = 28), CNO (m/z = 42), CO2 (m/z = 44), O=CH-NH-CH=O (m/z = 73), 苯(m/z = 78), 苯胺 (m/z = 93), 苯酚(m/z = 94), N甲基吡咯烷酮(m/z = 99),和其他熱解產(chǎn)物碎片。通過分析每個產(chǎn)物信號的時變頻譜，可以得到詳細(xì)的分步反應(yīng)機理。
熱解機理分析
熱解機理分析將PIA隔膜、PI隔膜和Celgard隔膜分別在1 C電流下進(jìn)行電池循環(huán)性能測試。使用PIA隔膜的電池在500次循環(huán)后每循環(huán)容量僅下降0.016%，顯示出137 mAh g?1的優(yōu)良長期循環(huán)性能，甚至在1000次循環(huán)后保持了118 mAh g-1的高比容量。為了研究鋰金屬電池中PIA隔膜的兼容性，組裝了銅鋰電池。銅箔和鋰箔分別用作工作電極和參比電極，使用PIA隔膜的在一次循環(huán)時為電池庫倫效率到85.3%，在100次循環(huán)后保持83%，且在抑制鋰枝晶方面的具有優(yōu)越的性能。
使用PIA隔膜電池的電化學(xué)性能
將石墨陽極、LiFePO4陰極、電解液和分離器組裝成袋式電池。在電流密度為1 C時，帶有PIA隔膜的袋式電池在50次循環(huán)后，具有21 mAh的電池容量和99%的庫侖效率。當(dāng)溫度升高時，蓄電池將發(fā)生內(nèi)部短路，電壓將急劇下降，然后蓄電池將經(jīng)歷嚴(yán)重的熱失控。因此將電壓驟降的溫度定義為熱失控溫度（T2）。與Celgard 2400分離器相比，PIA隔膜的T2達(dá)到170℃，具有更優(yōu)異的熱穩(wěn)定性。
電池?zé)岚踩院透邷匮h(huán)性能
電池?zé)岚踩院透邷匮h(huán)性能在本研究中，研究人員成功制備了一種新型PIA隔膜，該隔膜具有高孔隙率、高柔韌性、優(yōu)異的電解質(zhì)潤濕性和熱穩(wěn)定性。在安全鋰離子電池和下一代高能量密度可充電電池系統(tǒng)具有極大應(yīng)用潛力。
