鋰離子電池（LIB）由于其高能量密度和長循環(huán)性能，在電動汽車、儲能電站等領域得到了廣泛的應用。然而，這些高能量密度鋰離子電池更可能導致熱失控，因此，人們在電池組件和電池管理系統(tǒng)的材料上進行了許多努力，以提高鋰離子電池的安全性。隔膜是LIBs中的重要部件，因為它們隔離高能電極以避免內部短路，從而確保LIBs的安全工作。然而，基于聚烯烴的商用隔膜存在一些嚴重阻礙LIBs性能的缺點，例如高溫下的熱收縮和低電解質潤濕性。聚酰亞胺（PI）基隔膜因其良好的耐熱性（>300℃）、化學穩(wěn)定性和優(yōu)異的機械性能而被視為下一代隔膜。到目前為止，由于其低成本、可控性和高孔隙率的優(yōu)點，人們已經進行了大量的嘗試來通過靜電紡絲制備PI隔膜。然而，通過靜電紡絲技術制備的大多數(shù)非織造隔膜的機械強度較弱，并且由于其大孔徑和寬孔徑分布，可能會發(fā)生自放電和電解質泄漏。此外，靜電紡絲法難以應用于工業(yè)規(guī)模制造，因為無法完全解決生產率低、再現(xiàn)性差和環(huán)境問題。
鑒于上述問題，中國科學技術大學程旭東副研究員、張和平研究員等采用了簡單的溶膠-凝膠方法制備了一種孔隙率均勻、耐高溫、電化學性能優(yōu)異的新型聚酰亞胺氣凝膠隔膜（PIA），并首次將其應用在了鋰離子電池中。PIA隔膜優(yōu)異的孔隙率（78.35%）和電解液吸收率（321.66%）有助于LIBs的低內阻和優(yōu)異電化學性能，在1000次1 C電流循環(huán)后可以保持118 mAh g?1高比容量。相關工作近期以題為“Novel Thermotolerant and Flexible Polyimide Aerogel Separator Achieving Advanced Lithium-Ion Batteries “發(fā)表在了《Advanced Functional Materials》上。
將聚酰亞胺溶液滴在自動薄膜涂布機上以形成聚酰亞胺凝膠膜。經過老化、溶劑交換和超臨界干燥，制備了柔性PIA膜，將其用作電池隔膜。所制備的PIA隔膜的結構表現(xiàn)為由厚度為20至50 nm的聚合物鏈形成的多孔框架，其中含有大量有序孔。使用Brunauer–Emmet–Teller（BET）方法進行N2吸附/解吸測量，PIA分離器的BET比表面積和平均孔徑為178.7 m2 g?1和91nm。
PIA隔膜的制備工藝及基本特性
具有足夠熱穩(wěn)定性的先進隔膜是降低熱失控風險和在高溫條件下保持電池電化學性能的關鍵。進行熱收縮試驗，通過將樣品放置在分級加熱爐中30分鐘，目視評估分離器的熱穩(wěn)定性。，在室溫高達200°C時，未觀察到PIA分離器的明顯收縮，而Celgard隔膜在200°C下完全熔化。此外，即使在300°C下，PIA分離器仍能保持原始形狀和顏色。
熱穩(wěn)定性分析
為了研究PIA隔膜的熱解機理和產物，在國家同步輻射實驗室（NSRL）的燃燒質譜光束線（BL03U）上進行了SVUV-PIMS實驗，PIA分離器在50-800°C氮氣氛圍下所有熱解產物的光離子化質譜，主要包括CH4 (m/z = 16), NH3 (m/z = 17), CO (m/z = 28), CNO (m/z = 42), CO2 (m/z = 44), O=CH-NH-CH=O (m/z = 73), 苯(m/z = 78), 苯胺 (m/z = 93), 苯酚(m/z = 94), N甲基吡咯烷酮(m/z = 99),和其他熱解產物碎片。通過分析每個產物信號的時變頻譜，可以得到詳細的分步反應機理。
熱解機理分析
將PIA隔膜、PI隔膜和Celgard隔膜分別在1 C電流下進行電池循環(huán)性能測試。使用PIA隔膜的電池在500次循環(huán)后每循環(huán)容量僅下降0.016%，顯示出137 mAh g?1的優(yōu)良長期循環(huán)性能，甚至在1000次循環(huán)后保持了118 mAh g-1的高比容量。為了研究鋰金屬電池中PIA隔膜的兼容性，組裝了銅鋰電池。銅箔和鋰箔分別用作工作電極和參比電極，使用PIA隔膜的在一次循環(huán)時為電池庫倫效率到85.3%，在100次循環(huán)后保持83%，且在抑制鋰枝晶方面的具有優(yōu)越的性能。
使用PIA隔膜電池的電化學性能
將石墨陽極、LiFePO4陰極、電解液和分離器組裝成袋式電池。在電流密度為1 C時，帶有PIA隔膜的袋式電池在50次循環(huán)后，具有21 mAh的電池容量和99%的庫侖效率。當溫度升高時，蓄電池將發(fā)生內部短路，電壓將急劇下降，然后蓄電池將經歷嚴重的熱失控。因此將電壓驟降的溫度定義為熱失控溫度（T2）。與Celgard 2400分離器相比，PIA隔膜的T2達到170℃，具有更優(yōu)異的熱穩(wěn)定性。
電池熱安全性和高溫循環(huán)性能
在本研究中，研究人員成功制備了一種新型PIA隔膜，該隔膜具有高孔隙率、高柔韌性、優(yōu)異的電解質潤濕性和熱穩(wěn)定性。在安全鋰離子電池和下一代高能量密度可充電電池系統(tǒng)具有極大應用潛力。
