隨著各種高性能能源儲存設(shè)備，如鋰離子電池、鈉離子電池、鋰硫電池等的應(yīng)用，電池的安全性受到人們越來越多的關(guān)注。隔膜材料是電池結(jié)構(gòu)中非常重要的一個組成部分，即使是肉眼看不到的微小缺陷發(fā)生在其表面，都會給電池帶來諸如電壓失穩(wěn)、自放電、微短路、甚至熱擊穿等危險。所以它的質(zhì)量好壞直接關(guān)系到電池整體的運(yùn)行安全性。然而在電池薄膜的實(shí)際加工、生產(chǎn)過程中，其表面難免會產(chǎn)生微孔或者微裂紋等缺陷 (圖1(a))。如何快速準(zhǔn)確的檢測出電池隔膜的缺陷是一個亟待解決的問題。本文提出一種簡便、高效、無損的低空氣流速壓強(qiáng)差測量方法來實(shí)現(xiàn)對隔膜表面缺陷的探測。研究發(fā)現(xiàn)，這種方法可以敏感且高效的檢測出薄膜表面產(chǎn)生的微孔和微裂紋兩種缺陷，并能分辨出微孔的個數(shù)、大小以及微裂紋的擴(kuò)展程度。而進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)測試發(fā)現(xiàn)這些缺陷會對電池的正常運(yùn)行帶來不同程度的負(fù)面影響。這一新方法對電池隔膜的質(zhì)量監(jiān)測、失效分析以及隔膜涂料的性能檢測具有重要意義。

　　近日，華中科技大學(xué)航空航天學(xué)院李仁府教授團(tuán)隊與華盛頓州立大學(xué)材料與機(jī)械工程系王宇助理研究教授、仲偉虹教授團(tuán)隊(共同通訊作者)在國際頂級期刊Energy Storage Materials上以短通訊形式發(fā)表題為““See” the Invisibles: Inspecting Battery Separator Defects via Pressure Drop”的文章，共同第一作者是華中科技大學(xué)李毅超博士與華盛頓州立大學(xué)傅雪薇博士生。受離子傳輸與氣流傳輸相似性的啟發(fā)(圖1(c))，研究人員采用一套簡易裝置(圖1(b))對不同流速下空氣流通過隔膜前后產(chǎn)生的壓強(qiáng)差進(jìn)行測量與分析，以此判斷隔膜的缺陷度。為了驗(yàn)證方法的有效性，研究人員人為通過扎孔與拉伸在隔膜上制造了兩類缺陷：微孔與微裂紋(圖2)。結(jié)果顯示，壓強(qiáng)差法可以快速有效的檢測并分辨出微孔的個數(shù)、尺寸，以及微裂紋的程度，特別在較高流速條件下靈敏度更高(圖3)。通過對兩種缺陷條件下隔膜導(dǎo)離子特性的測試發(fā)現(xiàn)，除了3號微孔隔膜，其他帶缺陷的隔膜均未能被導(dǎo)離子測試方法發(fā)現(xiàn)(圖4)，而壓強(qiáng)差法已可以成功探測出所有缺陷情況。進(jìn)一步，將兩種缺陷條件下的隔膜組裝成半電池測試其電化學(xué)性能發(fā)現(xiàn)，當(dāng)隔膜上僅出現(xiàn)一個微孔時就發(fā)生了短路現(xiàn)象;而10%拉伸條件下產(chǎn)生的微裂紋隔膜電池也發(fā)生了充放電異常;4%與6%拉伸條件下產(chǎn)生的微裂紋隔膜電池在經(jīng)過250次充放電循環(huán)后也發(fā)生了電池性能下降的現(xiàn)象。究其原因可能是缺陷引發(fā)了鋰離子在電池內(nèi)部的不均勻傳輸與沉積導(dǎo)致不穩(wěn)定SEI膜的產(chǎn)生，這個過程會進(jìn)一步消耗電解質(zhì)并導(dǎo)致顯著的容量損失。

　　圖1.檢測電池隔膜缺陷的壓差法：(a)隔膜在生產(chǎn)過程中可能產(chǎn)生的缺陷;(b)試驗(yàn)測試方法;(c)離子流過隔膜與空氣流過隔膜的相似性示意圖。

　　圖2. 兩類人為制造的隔膜缺陷：(a)扎孔制造微孔方法;(b)微孔形貌與尺寸;(c)拉伸制造微裂紋方法;(d)微裂紋形貌。

　　圖3. (a)不同微孔個數(shù)條件下壓強(qiáng)差與流速關(guān)系;(b)不同流速下微孔個數(shù)與損失因子關(guān)系;(c)流速與損失因子敏感性關(guān)系;(d)不同流速下微孔尺寸與損傷因子關(guān)系;(e)不同微裂紋下流速與壓強(qiáng)差關(guān)系;(f)固定流速下隔膜應(yīng)變與損失因子關(guān)系。

　　圖4. 隔膜的導(dǎo)離子特性：(a)不同微孔條件下隔膜的尼奎斯特圖;(b)不同微裂紋條件下隔膜的尼奎斯特圖;(c)兩種缺陷下隔膜導(dǎo)離子特性對比。

　　圖5. 將有缺陷隔膜組裝成半電池測試其電化學(xué)性能：(a)0.1C條件下帶一個微孔隔膜的電池充放電曲線;(b)0.1C條件下帶不同微裂紋隔膜的電池充放電曲線;(c)循環(huán)穩(wěn)定性測試;(d)帶不同微裂紋隔膜的電池庫倫效率;(e)帶微裂紋隔膜下SEI膜成形示意圖。

　　【總結(jié)】

　　本文作者首次提出了以一種高效、便捷、低成本且無損傷的基于低流速下壓強(qiáng)差測量方法來評估電池隔膜可能產(chǎn)生的缺陷。結(jié)果顯示，相比傳統(tǒng)的導(dǎo)離子測試方法，壓強(qiáng)差法可以有效檢測出微孔與微裂紋兩類缺陷，并且高流速更有利于缺陷的發(fā)現(xiàn)，而這些缺陷會不同程度的對電池性能產(chǎn)生負(fù)面影響，帶來安全隱患。這一方法為電池隔膜的質(zhì)量監(jiān)控與評估，以及電池的失效分析提供了一種新途徑。

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