SSB蓄电池在隔膜上沉积高岭土纳米片以调控锂离子电池中的锂分布

2026-04-02 09:59:53

作为现代储能系统的基石，锂离子电池技术不断取得突破。然而，热失控引发的安全隐患——例如火灾和爆炸——已成为该行业面临的首要挑战。电池隔膜作为多孔薄膜，是锂离子电池中的关键组件。目前商用隔膜存在若干局限性，包括热稳定性不足、电解液润湿性有限、孔隙率偏低以及机械强度欠佳。本研究基于黏土矿物的结构特性，成功开发出高岭土纳米片改性隔膜。实验结果表明，在0.5C电流密度下循环500次后，采用高岭土纳米片-聚丙烯复合隔膜（PP@kaolin）的电池仍保持74.8%的比容量保持率，该数值显著高于纯聚丙烯隔膜体系。高岭石纳米片富含极性官能团，可与电解液溶剂形成氢键网络，从而协同提升润湿性和离子迁移率。此外，高岭石纳米片的多孔结构及层间间隙为锂离子传输提供了补充路径，有助于实现更均匀的锂离子分布。这些特性共同作用，能有效抑制锂枝晶的生长。

引言

随着新能源汽车和储能系统的快速发展，锂离子电池技术不断进步，应用范围持续扩大。因此，锂电池已成为现代社会中不可或缺的储能装置[[1], [2], [3]]。早期锂离子电池与锂金属电池存在循环寿命有限、安全性能不足等挑战。尽管在正常工况下通常安全，但过充、过放或机械损伤等问题仍可能导致热失控、起火甚至爆炸，这促使学界持续投入研究以提升其安全性与综合性能[[4], [5], [6]]。作为多孔隔膜，电池隔膜在锂离子电池中起关键作用。目前聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）等聚烯烃基隔膜仍被广泛采用。然而，这些材料存在若干缺陷，包括热稳定性不足、电解液润湿性差、孔径分布不均以及孔隙率相对较低。这些局限性促使研究者广泛探索改进型及新型隔膜材料[7,8]。例如，Liu等[9]通过在聚烯烃隔膜上涂覆二氧化硅颗粒，利用固态转化反应有效抑制锂枝晶穿透，从而提升了电池性能。Wang等[10]则采用三维/二维A型分子筛涂层对商用聚丙烯隔膜进行改性，显著增强了隔膜的物理与电化学性能。
作为一种天然材料，粘土在储能领域正受到越来越多的关注。其具有高比表面积和丰富的孔隙结构[11,12]，能够与电池电解质充分接触，并促进锂离子的快速传输[13,14]。此外，粘土还表现出良好的绝缘特性[15]和强吸水性[16]，使其特别适合用作隔膜或电解质材料。更重要的是，粘土具有耐高温和抗机械压力的特性，同时能在恶劣条件下保持结构稳定性。这些独特性质使粘土成为众多储能与转换材料中极具前景的候选者，作为一种天然矿产资源展现出广阔的应用前景[17,18]。目前，Guo等人[19]利用基于粘土的二维多孔非晶态二氧化硅纳米片，开发出一种环保且低成本的无机隔膜。Long等人[20]通过静电纺丝技术将单层锂基蒙脱石与氮掺杂还原氧化石墨烯相结合，构建了一种具有双快速离子/电子传输通道的二维异质结构。研究结果表明，该异质结构能有效促进多硫化物的吸附、扩散与转化，同时抑制穿梭效应，从而加速电化学反应动力学。高岭土是一种以高岭石（Al₂Si₂O₅(OH)₄）为主要成分的粘土矿物。₂·2SiO₃·2H₂O)是一种低成本天然硅酸盐矿物。其晶体结构由硅氧四面体与铝氧八面体构成，铝氧八面体中存在大量Al-OH基团，这些基团能够与电解液中的极性分子形成氢键网络，从而增强隔膜与电解液之间的亲和力[[21], [22], [23]]。此外，高岭土具有优异的化学稳定性与热稳定性，其固有的孔隙结构与层间间距可为锂离子传输提供额外通道，促进锂离子高效迁移通过隔膜。₂O), a low-cost, naturally occurring silicate mineral. Its crystal structure consists of silica-oxygen tetrahedra and alumina-oxygen octahedra. The alumina-oxygen octahedra contain numerous Al-OH groups capable of forming a hydrogen-bonding network with polar molecules in the electrolyte, thereby enhancing the affinity between the separator and the electrolyte [[21], [22], [23]]. Furthermore, kaolin exhibits high chemical and thermal stability, and its inherent pore structure and interlayer spacing can provide additional pathways for lithium-ion transport, facilitating efficient lithium-ion migration through the separator.
本研究通过刮涂法将高岭石纳米片沉积于商用聚丙烯（PP）隔膜表面。结果表明，PP@高岭石复合隔膜展现出更高的机械强度和优异的电解液润湿性。采用高岭石纳米片包覆隔膜的锂离子电池，其首次放电比容量达到154.92 mAh g⁻¹。⁻¹以0.5C倍率循环500次后仍保持初始容量的74.8%，从而有效提升电池的循环稳定性。本研究为锂离子电池隔膜设计提供了一种创新思路。