性能優(yōu)等生！氮化硼材料在鋰電領(lǐng)域大有可為

中國(guó)粉體網(wǎng)訊  氮化硼具有獨(dú)特的力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、光學(xué)、阻隔特性，在功能復(fù)合材料、導(dǎo)熱與散熱、能源器件等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。近年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，氮化硼材料逐步成為了助力鋰電池性能“開(kāi)掛”的新材料。 氮化硼隔膜涂覆材料 鋰電池隔膜主要原材料聚乙烯和聚丙烯熔點(diǎn)相對(duì)低，熱穩(wěn)定性較差，其在一定溫度下會(huì)發(fā)生明顯的收縮甚至破裂，從而導(dǎo)致電池發(fā)生短路。隔膜表面單面或者雙面進(jìn)行涂覆可以顯著提高高溫穩(wěn)定性，緩解隔膜熱收縮造成的電池正負(fù)極接觸、燃燒、爆炸的安全問(wèn)題，經(jīng)涂覆后隔膜厚度增加，隔膜的穩(wěn)定性和壽命都有顯著改善。無(wú)機(jī)涂覆材料中，目前勃姆石和氧化鋁占據(jù)主要的市場(chǎng)，隨著制備工藝日益成熟以及市場(chǎng)對(duì)勃姆石的日益認(rèn)可，勃姆石在無(wú)機(jī)涂覆材料應(yīng)用中的占比逐漸提升，氧化鋁的市場(chǎng)空間正在被逐漸壓縮。 陶瓷隔膜雖性能優(yōu)良，但陶瓷涂層會(huì)增加隔膜厚度，增加電池內(nèi)阻，使電池能量密度降低，同時(shí)陶瓷復(fù)合隔膜有機(jī)、無(wú)機(jī)材料的界面相溶性較差，往往導(dǎo)致陶瓷隔膜掉粉問(wèn)題嚴(yán)重，而且陶瓷涂層不致密，則對(duì)隔膜耐熱性改善不明顯，但若過(guò)于致密，則會(huì)堵孔，使電池循環(huán)性能和倍率性能變差?；谀壳熬巯N隔膜以及陶瓷涂覆隔膜面臨的問(wèn)題，很有必要開(kāi)發(fā)一種優(yōu)良涂層的隔膜，解決以上電池安全問(wèn)題，同時(shí)保證鋰離子電池的化學(xué)穩(wěn)定性、提高離子電導(dǎo)率，延長(zhǎng)循環(huán)壽命。 氮化硼是一種無(wú)毒、耐高溫、耐腐蝕、高導(dǎo)熱、高絕緣，性能優(yōu)良的陶瓷材料。清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院周光敏副教授、丘陵副教授等人使用了一種簡(jiǎn)單的方法，即將大規(guī)模制備的超薄六方氮化硼 (h-BN)/聚酰亞胺 (PI) 層涂覆在商用聚丙烯 (PP)隔膜上以實(shí)現(xiàn)低成本誘導(dǎo)穩(wěn)定的SEI形成。 PP-BN隔膜的制備和內(nèi)在特性 由于h-BN涂層的存在，隔膜上的吸附減少，游離的F、O和N原子能夠形成更多的無(wú)機(jī)SEI化合物?；谶@種理解，使用h-BN納米片(BNNS) 涂層隔膜可以大大提高電化學(xué)性能。此外，h-BN涂層明顯改善了PP的潤(rùn)濕性、熱穩(wěn)定性和導(dǎo)熱性。使用PP-BN隔膜的LiFePO4 //Li半電池100次循環(huán)的庫(kù)侖效率始終保持在100%左右，放電容量幾乎沒(méi)有衰減。 從理論上來(lái)講，六方氮化硼相比于勃姆石、氧化鋁，其硬度更小，密度小，熱膨脹系數(shù)更低更穩(wěn)定，更耐高溫、機(jī)械強(qiáng)度大更耐穿刺性等性能，也易于進(jìn)行機(jī)加工，但由于成本原因，所以目前沒(méi)有廣泛用于鋰電池隔膜材料。 涂覆材料性能對(duì)比 氮化硼材料隔膜改性 目前，常見(jiàn)的商用的鋰離子電池隔膜主要是聚乙烯和聚丙烯多孔薄膜，因其具有較好的機(jī)械強(qiáng)度、良好的電化學(xué)穩(wěn)定性、均勻的孔隙結(jié)構(gòu)和突出的成本優(yōu)勢(shì)，一直主導(dǎo)著鋰離子電池市場(chǎng)。但傳統(tǒng)的聚烯烴隔膜的熔點(diǎn)低（聚乙烯為135℃、聚丙烯為165℃），在高溫下的穩(wěn)定性較差，嚴(yán)重影響電池的安全性，很難滿足大功率系統(tǒng)的要求。為進(jìn)一步提高電池隔膜的熱力學(xué)穩(wěn)定性，對(duì)鋰離子電池隔膜進(jìn)行改性成為了易于實(shí)現(xiàn)而且行之有效的方法。 BN由于良好的熱穩(wěn)定性、電絕緣性和導(dǎo)熱性經(jīng)常用于鋰電池隔膜改性。有研究者合成氮化硼納米管（BNNT），通過(guò)浸漬涂覆工藝將BNNT結(jié)合到聚丙烯隔膜上，制備出一直新型BNNT鋰電池隔膜。 單壁BNNT的構(gòu)造及構(gòu)象（左）；多壁BNNT的構(gòu)造及構(gòu)象（右） （來(lái)源：劉鑫等，《氮化硼納米管／聚合物納米復(fù)合材料導(dǎo)熱性能研究進(jìn)展》） 由于BNNT細(xì)且長(zhǎng)不會(huì)堵塞隔膜上的孔道，又因?yàn)槠浔旧砹己玫臒岱€(wěn)定性和電氣絕緣特性，所以這種新型BNNT電池隔膜表現(xiàn)出優(yōu)越的熱穩(wěn)定性，且導(dǎo)熱性高，防止高溫下內(nèi)部短路，從而可靠的減少鋰離子電池?zé)崾Э氐耐{。另外，因?yàn)殡p面涂層BNNT隔膜可以通過(guò)吸收額外的熱量并將其擴(kuò)散到BNNT中來(lái)耐受大電流，所以在不同的高充放電電流速率下，采用BNNT隔膜的電池具有較高的可逆容量。 總之，BN熱穩(wěn)定性好，在改性至鋰電隔膜上時(shí)，隔膜的導(dǎo)熱系數(shù)增加，可實(shí)現(xiàn)均勻地鍍Li／剝Li，抑制了尖銳的Li枝晶的形成。同時(shí)改性隔膜的電解質(zhì)潤(rùn)濕性增強(qiáng)，Li／Cu半電池電化學(xué)循環(huán)性能、電化學(xué)穩(wěn)定性、庫(kù)侖效率提升。 氮化硼導(dǎo)熱填料 動(dòng)力鋰電池組的性能包括能密度、使用壽命、放電倍率等受溫度影響很大，很多部件都需要嚴(yán)格的熱管理。通用的導(dǎo)熱界面材料，多以樹(shù)脂為基體并按需添加導(dǎo)熱填料。樹(shù)脂基體材料易于變形可以很好的彌合間隙增加有效接觸以提升散熱，但一般樹(shù)脂基體熱導(dǎo)率差，需填充以導(dǎo)熱填料可以有效調(diào)節(jié)其熱導(dǎo)率從而滿足使用要求。 填料種類可以分為三大類，分別為金屬導(dǎo)熱填料、碳基導(dǎo)熱填料、無(wú)機(jī)導(dǎo)熱填料。常見(jiàn)的金屬導(dǎo)熱填料主要包括Al、Cu、Ag等。碳基導(dǎo)熱填料主要有石墨、石墨烯、碳納米管、碳纖維等。無(wú)機(jī)導(dǎo)熱填料主要有氮化硼(BN)、碳化硅(SiC)、氮化鋁(AlN)等。 導(dǎo)熱不導(dǎo)電的六方氮化硼片 BN作為填料已經(jīng)廣泛應(yīng)用于導(dǎo)熱復(fù)合材料，可解決熱導(dǎo)材料與處于運(yùn)行中的電氣部件相接觸而需要的高電阻率材料避免短路的問(wèn)題。將超聲剝離的二維氮化硼納米片和一維纖維素納米纖維共混，制備的復(fù)合材料熱導(dǎo)率高達(dá) 180W/(m·K)，是迄今為止熱導(dǎo)率最高的納米復(fù)合材料。 小結(jié) 多個(gè)研究表明，氮化硼憑借優(yōu)異的性能特征，應(yīng)用于鋰電領(lǐng)域：無(wú)論是電池隔膜涂層，還是導(dǎo)熱填料，利大于弊，大有作為。