近年来，锂电池因其高能量密度、长寿命等优点在电动汽车、移动电源等领域得到了广泛应用。然而，锂电池的安全问题一直备受关注。充电过程中可能骤发高温是锂电池安全的一个重要隐患。过去，为了提高锂电池的安全性能，研究人员主要集中在改进电解液、正极材料等方面。然而，这些方法在一定程度上提高了安全性能，但并未根本解决问题。
近日记者了解到，中国科学院近代物理研究所材料研究中心科研团队与兰州大学、先进能源科学与技术广东省实验室等相关团队合作，依托大科学装置兰州重离子加速器，开展了离子径迹技术研究。研究团队发现，聚酰亚胺是一种具有优异耐高温性能的高分子材料，可以作为高性能锂离子电池的隔膜材料。通过对聚酰亚胺的表面改性，研制出了一种新型的耐高温聚酰亚胺隔膜制备新工艺，有助于提升锂电池及其充电的安全性。
本次研究的聚酰亚胺离子径迹膜(左侧)和传统多孔隔膜(右侧)的安全特性示意图。中国科学院近代物理研究所/供图
这项锂电池材料领域重要研究进展成果论文，近日在专业学术刊物《美国化学学会纳米期刊》(ACS Nano)上发表，论文第一作者和通讯作者均来自中国科学院近代物理研究所。
他们介绍说，隔膜作为锂离子电池的关键部件之一，具有隔绝正负极和传导锂离子的功能，对电池的安全性至关重要。目前，商用锂离子电池的能量密度可达300瓦时每千克，并有望进一步得到提升。然而，在追求锂离子电池更高能量密度的同时，安全性问题不容忽视。传统聚烯烃隔膜热稳定性差，孔隙结构不均一，在高温下容易收缩并造成电池内部短路和引发热失控。
聚酰亚胺因热稳定性优异、机械强度高、化学稳定性良好被视为是高安全性隔膜的理想选择。因此，针对聚酰亚胺开展深入研究，开发具有均一孔道结构的聚酰亚胺隔膜并实现可控制备，对于充分发挥隔膜在提高电池安全性方面的作用十分重要。
在本项研究中，中国科学院近代物理研究所科研团队和合作者一起，依托兰州重离子加速器开发出基于离子径迹技术的耐高温聚酰亚胺隔膜制备新工艺，所制备的隔膜相较于传统聚烯烃隔膜优势明显，其机械强度高达150.6兆帕，耐高温性能卓越(450摄氏度下结构不收缩)，孔径分布窄(孔径标准差<6%)，孔道结构垂直排列(迂曲度为1)。
科研团队指出，在3毫安每平方厘米的条件下，使用聚酰亚胺耐高温隔膜的锂/锂对称电池可稳定循环1200小时，且在锂金属电极表面实现均匀、致密的锂沉积，表明其具有优异的锂枝晶抑制能力。此外，使用该隔膜的磷酸铁锂软包电池在常温下可稳定循环1000次，容量保持率为73.25%，并表现出优异的高温性能，可在150摄氏度的环境温度下正常工作。
本次研究的磷酸铁锂软包电池的长循环性能对照。中国科学院近代物理研究所/供图
科研团队表示，他们最新发表的研究成果，为开发可靠的具有耐高温高性能锂离子电池隔膜和工艺提供了新思路，将成为提高锂离子电池安全性的有效途径和手段之一。
团队负责人还表示，这一研究成果有望为高性能锂离子电池的安全性提供有力保障，推动锂电池在电动汽车、移动电源等领域的广泛应用。同时，这一新工艺还可拓展到其他高温环境下的应用领域，如航天、军事等。
目前，这项研究成果已经引起了广泛关注。许多专家认为，这是一项具有重要意义的技术突破，有望为锂电池的安全性能提供有力保障。未来，随着这项技术的不断发展和完善，相信锂电池的安全性能将得到进一步提升，为新能源产业的发展提供更加可靠、安全的技术支撑。
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