中國科學技術大學姚宏斌、倪勇和俞書宏研究團隊受自然界珍珠母層具有高韌性的啟發(fā)，運用仿生學原理構(gòu)建仿珍珠母層隔膜以有效保護鋰電池并降低安全隱患。該研究成果于近日在線發(fā)表于國際材料領域頂級期刊《先進材料》上。

在商業(yè)化鋰電池中，多孔的聚烯烴因其優(yōu)異的電化學穩(wěn)定性而被廣泛地用做鋰離子電池隔膜。作為電池正負極之間防止短路的隔絕層，聚烯烴內(nèi)部的多孔結(jié)構(gòu)有利于電池在充放電過程中的鋰離子通過，但也導致了隔膜較差的機械性能。

尤其是當隔膜受到外部的局部沖擊時，其內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)必然會產(chǎn)生畸變導致開裂和部分孔關閉，從而影響鋰電池的性能和安全性。為改善鋰電池的性能，目前業(yè)界廣泛使用陶瓷納米顆粒涂層來提高聚烯烴隔膜的熱穩(wěn)定和對電解液的浸潤性，然而受力分析表明，納米顆粒涂層很難有效的抵抗局域化的外力沖擊作用，其必然會導致電池內(nèi)部在充放電過程具有不均勻的鋰離子流，引發(fā)電極上不均勻的鋰沉積甚至導致鋰枝晶的生成。

為解決這一難題，中國科大的研究團隊在深刻理解自然界珍珠母層高韌性原理基礎上，在聚乙烯隔膜表面構(gòu)建仿珍珠層的“磚泥”有序結(jié)構(gòu)。在受到外力沖擊時，仿珍珠母涂層通過片片滑移的作用，有效擴大受力面積，耗散沖擊的應力，從而有效保護了隔膜內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)，維持電池內(nèi)部均勻的鋰離子流。

據(jù)介紹，相對于使用商業(yè)陶瓷隔膜的軟包電池，采用仿珍珠層隔膜的軟包電池在沖擊時表現(xiàn)出較小的開路電壓變化和較好的循環(huán)穩(wěn)定性以及高的安全性。

為進一步證實仿珍珠母層隔膜對商業(yè)化電池安全性的作用，研究團隊對兩種隔膜組裝的軟包電池進行沖擊試驗。與使用商業(yè)納米顆粒涂層隔膜的軟包電池相比，運用仿珍珠母層隔膜的軟包電池顯示出更低的瞬時開路電壓變化和更快的電壓恢復。

研究結(jié)果表明，仿珍珠母層隔膜對電池具有良好的保護作用并且可以有效地降低許多安全隱患。該研究成果提出了構(gòu)建仿珍珠層增韌隔膜的策略，并從理論模擬和實驗測試上證明其提升鋰電池抗沖擊的能力，這將為今后提升鋰電池的安全性開辟新途徑。

圖為商業(yè)陶瓷納米顆粒涂層隔膜和仿珍珠母層隔膜受到?jīng)_擊后的應力分析（中國科大供圖）

使用商業(yè)陶瓷納米顆粒涂層隔膜和仿珍珠母層隔膜組裝的電池的電化學性能對比（中國科大供圖）