隔膜是介于正负极之间的离子渗透膜和电子绝缘膜，对电池的电化学性能和安全性能起着至关重要的作用。然而，商用聚烯烃隔板不仅在高温下不可避免地出现热收缩，而且无法抑制O2等反应性气体中隐藏的化学串扰，导致经常报道的热失控(TR)，从而阻碍了高能量密度锂离子电池的大规模实施。
来自清华大学和美国阿贡国家实验室的学者通过一种新的凝胶拉伸取向方法制备了一种消除TR的纳米孔无收缩分离器(GS-PI)。加热过程中的同步辐射小角X射线原位散射清楚地表明，所制备的薄GS-PI隔膜在高温下表现出优异的机械公差，从而有效地防止了内部短路。同时，独特的纳米孔结构设计进一步阻止了化学串扰和相关的放热反应。加速量热测试表明，使用GS-PI纳米孔分离器制备的1Ah LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2(NCM622)/石墨袋装电池的最大温升(dt/dtmax)仅为3.7℃s-1，而用Al2O3@PE大孔分离器制备的1Ah LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2(NCM622)/石墨袋装电池的最大温升(dt/dt max)仅为131.6°C s−1。此外，尽管孔径减小，但GS-PI隔膜在高温下表现出比传统Al2O3@PE隔膜更好的循环稳定性，而不牺牲比容量和倍率性能。相关文章以“Simultaneously Blocking Chemical Crosstalk and Internal Short Circuit via Gel-Stretching Derived Nanoporous Non-Shrinkage Separator for Safe Lithium-Ion Batteries”标题发表在Advanced Materials。
论文链接：
https://doi.org/10.1002/adma.202106335
图1| 锂离子电池热安全面临的挑战。a)对于采用传统隔膜的电池，高温下电极之间的内部短路和/或化学串扰是导致电池热故障的主要挑战。b)事实证明，本文提出的无收缩和无化学串扰的纳米孔分离器是缓解挑战的有效策略，从而实现高标准电池安全。
图2| 纳米孔GS-PI分离器的制备与表征。a)基于凝胶拉伸取向策略的GS-PI分离器制备过程示意图。作为比较，除了凝胶拉伸步骤外，US-PI样品的制备都是类似的。b，c)Al2O3@PE和GS-PI隔膜的表面形貌和孔径分布。e)GS-PI、US-PI和ELE-PI衬底的应力-应变分布。本文的凝胶拉伸策略促进了相分离的均匀性和链段的有序排列，从而获得了具有优异力学性能的优化纳米孔结构。
图3| 分离器的热稳定性和润湿性。a)现场同步加速器SAXS实验装置方案。b)由SAXS原位表征得到的PE和GS-PI分离器在加热过程中的孔径变化。c)Al2O3@PE和GS-PI隔膜在高温下1h的热稳定性；d) Al2O3@PE和GS-PI隔膜的电解质渗透行为。在渗透试验中，液体电解质与3wt%的黑色墨水混合作为颜色指示剂。
图4| 基于ARC的电池循环性能和热安全测试。a)用Al2O3@PE和GS-PI隔板的1Ah NCM622/石墨袋装电池在室温下的循环稳定性和倍率放电容量。试验采用恒流(0.5C)-恒压(4.2V，0.05C截止)充电和恒流放电(0.5C~5C)模式。b)60°C下NCM622/石墨硬币电池的循环性能试验采用恒流充放电(0.5C/0.5C)方式。c)基于ARC的热安全试验图像。d)基于ARC的不同隔板的充满电1Ah电池的dt/dt分布随温度的变化。
图5| ARC测试后对细胞进行测试后分析。a)ARC试验后，使用Al2O3@PE和GS-PI分离器的电池的照片。b)混合电解质的带电电极的DSC图谱。c)将本工作与基于ARC的其他出版物的电池安全性进行比较。d)说明在高温下隔板失效或不失效时电池内部的放热反应。
总之，本文开发了一种新的凝胶拉伸策略来制备具有优异机械性能和对电解质润湿能力的薄纳米孔GS-PI分离器。研究了GS-PI隔膜的热力性能和电化学性能，阐明了保证电池安全的机理。结果表明，采用GS-PI隔膜的电池不仅在高温下比传统的Al2O3@PE隔膜具有更高的容量保持率，更重要的是，GS-PI隔膜在TR试验中的最大温升(dt/dtmax)仅为3.7℃ s−1，比使用Al2O3@PE隔膜的传统电池的131.6°C s−1显著提高。作为概念的证明，本文已经证明，通过用纳米孔无收缩隔膜同时阻断化学串扰和内部短路，可以成功地防止TR。
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