清華伍暉、北大韋小丁合作 ACS Nano：利用熱性能可切換的三功能陶瓷-水凝膠納米復(fù)合材料實現(xiàn)對電池系統(tǒng)的全生命周期安全管理

2022-06-19 來源：高分子科技

在燃料、炸藥、推進劑和電池等各種高比能系統(tǒng)中，能量密度和安全性基本上是不相容的。在過去幾十年中，由于高鎳電極技術(shù)的進步，鋰離子電池單體的能量密度一直在穩(wěn)步增長。而且，電動汽車、電網(wǎng)規(guī)模的儲能電池和應(yīng)急電源對具有高能量密度和良好安全性的電化學存儲裝備的需求也日益增長。然而，儲能站和商用電動汽車在近些年頻繁發(fā)生火災(zāi)事故，且故障機制復(fù)雜，這削弱了行業(yè)使用高比能鋰離子電池的信心。

近期，清華大學伍暉副教授與北京大學韋小丁研究員聯(lián)合多氟多新能源科技有限公司許飛等提出了一種具有集成熱管理和防火功能的陶瓷水凝膠納米復(fù)合材料的新概念，以解決大型鋰離子電池系統(tǒng)中的全生命周期安全隱患。該工作首先制備了微晶玻璃納米帶陶瓷海綿，該陶瓷海綿具有80%可逆壓縮性、高抗疲勞性和高機械柔韌性，可與聚合物-納米顆粒水凝膠牢固結(jié)合，形成穩(wěn)定的納米復(fù)合材料。在正常工作模式下，納米復(fù)合材料的高焓值可實現(xiàn)有效的熱管理，從而防止在極快充電條件或者內(nèi)部缺陷下出現(xiàn)的局部溫度峰值和過熱。如果發(fā)生機械或熱濫用，復(fù)合材料可立即釋放儲存的水，留下具有低導熱性（200°C時為42 mW m^–1 K^–1）和耐高溫性（高達1300°C）的高度柔性陶瓷基質(zhì)，從而有效冷卻熱失控電池并延遲甚至阻斷破壞性熱失控傳播（圖1-5）。這種設(shè)計具有普適性，可以在各種具有潛在熱失控風險的系統(tǒng)中使用。該工作以“Thermal-Switchable, Trifunctional Ceramic–Hydrogel Nanocomposites Enable Full-Lifecycle Security in Practical Battery Systems”為題發(fā)表在《ACS Nano》(ACS Nano, 2022, 10.1021/acsnano.2c02557)。文章的第一作者是清華大學博士后李磊，北京大學工學院方奔博士是共同第一作者。

圖1.（a）全生命周期熱安全管理的要求和解決方案。（b）從陶瓷溶膠到陶瓷-水凝膠納米復(fù)合材料的轉(zhuǎn)變過程。（c）不同材料的表面zeta電位。（d）從X射線顯微層析成像獲得的納米復(fù)合材料的三維結(jié)構(gòu)。（e）陶瓷-水凝膠納米復(fù)合材料相關(guān)尺寸示意圖。

圖2. 陶瓷納米帶結(jié)構(gòu)表征

圖3. 陶瓷納米帶的柔彈性及水凝膠的流變特性

圖4. 陶瓷-水凝膠納米復(fù)合材料的熱管理功能

圖5. 陶瓷-水凝膠納米復(fù)合材料的熱失控蔓延阻隔能力

該工作是團隊近期關(guān)于高比能鋰離子電池系統(tǒng)熱失控防護相關(guān)研究最新進展之一。高比能鋰離子電池的安全性一直是困擾產(chǎn)業(yè)界的難題。為此團隊發(fā)展了納米纖維智能防隔熱的方法，揭示了高比能鋰離子電池熱失控與熱蔓延的過程。在過去兩年中，團隊制備了“滅火劑+氧化硅納米纖維海綿”智能防火墻（Energy Storage Materials 2021, 40, 329），“納米晶雙相莫來石納米纖維海綿”高性能隔熱片（Materials Today 2022, 54, 72），實現(xiàn)了對53Ah的NCM523鋰離子電池熱失控蔓延的完全阻斷。此外，基于陶瓷納米纖維的氣紡絲制備方法，開發(fā)了多種具有隔熱（Science Advance 2017, 3, e1603170; J Am Ceram Soc 2018, 101, 1677; Science Advance 2022, 8, eabn3690）、吸音降噪（Nature Communications 2020, 11, 3732）、高溫煙氣過濾（Small 2018, 14, e1800258; Nano Lett 2020, 20, 4993）功能的柔性陶瓷體系。

原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsnano.2c02557

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（責任編輯：xu）

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