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重磅干货！隔膜的电化学和热性能对电池温度的影响！

时间：2023-11-19 来源：浏览：

重磅干货！隔膜的电化学和热性能对电池温度的影响！

朴小烯电池隔膜

电池隔膜

微信号 LP_lidian

功能介绍聚焦锂电新材料

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隔膜的电化学和热性能对电池温度的影响

文章信息：

https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.142067

1.研究背景

近年来，通过改进电极成分，在开发高性能锂离子电池方面取得了巨大的进展，但是为了保证电池组的可靠性，安全性和耐用性，热管理依然是电池设计的一个重要方面。电池内部的高温可能会降低锂离子电池的性能和寿命，还会带来额外的热应力，加速内部材料的膨胀，电池内部的聚合物材料也可能发生分解和变质。因此了解电池隔膜的电化学和热学特性对电池温度的影响至关重要。但是直接检测电池内的电化学反应和温度具有挑战性，因此本论文结合实验和模拟来探讨了隔膜的电化学和热性能对电池温度的影响。

2. 结果与讨论

该文章使用了三种电池隔膜，如图1所示，其中(a)为9μm厚裸露的聚乙烯商用隔膜，(b)和(c)图为在(a)的基础上分别涂覆1.5μm和2μm厚的Al ₂ O ₃ -PAA（聚丙烯酸）。

图1. (a) 商用隔膜、(b) coated-1隔膜和(c) coated-2隔膜的SEM图像。

作者对这三种隔膜的电化学性能进行了测试，如图2(f)和(g)所示，发现带有涂层的隔膜能够明显提升锂离子扩散速率和离子电导率。由于隔膜的离子电导率被认为与隔膜的润湿性有关，于是作者又对这三种隔膜进行了接触角和电解液吸收量以及绝对吸收量的测试。如图2(h-k)所示，发现带有涂层的隔膜能够明显降低隔膜的接触角，而且电解液吸收量也要比裸商用隔膜高至少30%。因此，作者推测在涂层隔膜中观察到的增强的润湿性和增加的电解液吸收量导致锂离子的有效扩散速率也得到增强。

图2 在四种扫描速率下测得的循环伏安图:(a) 商用隔膜，(b) coated-1隔膜和(c) coated-2隔膜，(d) 峰值电流和扫描速率平方根的线性拟合曲线，(e) 三种隔膜在不锈钢电极/隔膜-电解质/不锈钢电极电池中的Nyquist图，(f) 三种隔膜的Li ⁺ 扩散系数，(g) 三种隔膜的离子电导率。(h) 商用隔膜，(i) coated-1隔膜和(j) coated-2隔膜的接触角，(k) 三种隔膜的电解液吸收量和绝对吸收量。

作者使用瞬态平面源法(TPS)测量了这三种隔膜在干、湿状态下的导热系数，并使用COMSOL计算了这三种以及涂有8μm厚涂层隔膜在干、湿状态下的导热系数。如图3所示，发现在干燥状态下，涂层能够明显提升隔膜的导热系数，但是在电解液润湿状态下，coated-1和coated-2隔膜的导热系数相对裸商用隔膜提升并不明显。

图3 商用隔膜、coated-1隔膜、coated-2隔膜、厚涂层隔膜在干、湿状态下的导热系数。

作者对由这三种隔膜组成的电池进行了不同速率的放电测试并监测电池温度。如图4所示，发现带有涂层的隔膜能够在中高放电速率下，一定程度地降低电池温度。

图4 三种隔膜在三种放电速率下的电池温度。

作者通过仿真研究了隔膜的电化学性能对电池温度的影响。在这里涂层隔膜选用coated-1，且假设涂层隔膜和裸商用隔膜的导热系数一致。如图5所示，模拟得到在5C放电过程中电池的最高温度从裸商用隔膜电池中的40.8°C降低到带涂层隔膜电池中的39.5°C。作者还计算了电池的内阻，隔膜组件的产热率等数据，发现在涂层隔膜的条件下，电池内阻明显降低，从而导致欧姆热降低，降低电池温度。由此得出结论，隔膜的电化学性能在调节电池温度方面起主导作用。