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性能优等生！氮化硼材料在锂电领域大有可为

信息来源：本站 | 发布日期： 2024-04-08 09:27:24 | 浏览量：25536

摘要：

氮化硼具有独特的力学、热学、电学、光学、阻隔特性，在功能复合材料、导热与散热、能源器件等领域具有广阔的应用前景。近年来，随着科学技术的进步，氮化硼材料逐步成为了助力锂电池性能“开挂”的新材料。氮化硼隔膜涂覆材料锂电池隔膜主要原材料聚乙烯和聚丙烯熔点相对…

氮化硼具有独特的力学、热学、电学、光学、阻隔特性，在功能复合材料、导热与散热、能源器件等领域具有广阔的应用前景。近年来，随着科学技术的进步，氮化硼材料逐步成为了助力锂电池性能“开挂”的新材料。

氮化硼隔膜涂覆材料

锂电池隔膜主要原材料聚乙烯和聚丙烯熔点相对低，热稳定性较差，其在一定温度下会发生明显的收缩甚至破裂，从而导致电池发生短路。隔膜表面单面或者双面进行涂覆可以显著提高高温稳定性，缓解隔膜热收缩造成的电池正负极接触、燃烧、爆炸的安全问题，经涂覆后隔膜厚度增加，隔膜的稳定性和寿命都有显著改善。无机涂覆材料中，目前勃姆石和氧化铝占据主要的市场，随着制备工艺日益成熟以及市场对勃姆石的日益认可，勃姆石在无机涂覆材料应用中的占比逐渐提升，氧化铝的市场空间正在被逐渐压缩。

陶瓷隔膜虽性能优良，但陶瓷涂层会增加隔膜厚度，增加电池内阻，使电池能量密度降低，同时陶瓷复合隔膜有机、无机材料的界面相溶性较差，往往导致陶瓷隔膜掉粉问题严重，而且陶瓷涂层不致密，则对隔膜耐热性改善不明显，但若过于致密，则会堵孔，使电池循环性能和倍率性能变差。基于目前聚烯烃隔膜以及陶瓷涂覆隔膜面临的问题，很有必要开发一种优良涂层的隔膜，解决以上电池安全问题，同时保证锂离子电池的化学稳定性、提高离子电导率，延长循环寿命。

氮化硼是一种无毒、耐高温、耐腐蚀、高导热、高绝缘，性能优良的陶瓷材料。清华大学深圳国际研究生院周光敏副教授、丘陵副教授等人使用了一种简单的方法，即将大规模制备的超薄六方氮化硼 (h-BN)/聚酰亚胺 (PI) 层涂覆在商用聚丙烯 (PP)隔膜上以实现低成本诱导稳定的SEI形成。

PP-BN隔膜的制备和内在特性

由于h-BN涂层的存在，隔膜上的吸附减少，游离的F、O和N原子能够形成更多的无机SEI化合物。基于这种理解，使用h-BN纳米片(BNN_S) 涂层隔膜可以大大提高电化学性能。此外，h-BN涂层明显改善了PP的润湿性、热稳定性和导热性。使用PP-BN隔膜的LiFePO₄ //Li半电池100次循环的库仑效率始终保持在100%左右，放电容量几乎没有衰减。

从理论上来讲，六方氮化硼相比于勃姆石、氧化铝，其硬度更小，密度小，热膨胀系数更低更稳定，更耐高温、机械强度大更耐穿刺性等性能，也易于进行机加工，但由于成本原因，所以目前没有广泛用于锂电池隔膜材料。

涂覆材料性能对比

氮化硼材料隔膜改性

目前，常见的商用的锂离子电池隔膜主要是聚乙烯和聚丙烯多孔薄膜，因其具有较好的机械强度、良好的电化学稳定性、均匀的孔隙结构和突出的成本优势，一直主导着锂离子电池市场。但传统的聚烯烃隔膜的熔点低（聚乙烯为135℃、聚丙烯为165℃），在高温下的稳定性较差，严重影响电池的安全性，很难满足大功率系统的要求。为进一步提高电池隔膜的热力学稳定性，对锂离子电池隔膜进行改性成为了易于实现而且行之有效的方法。

BN由于良好的热稳定性、电绝缘性和导热性经常用于锂电池隔膜改性。有研究者合成氮化硼纳米管（BNNT），通过浸渍涂覆工艺将BNNT结合到聚丙烯隔膜上，制备出一直新型BNNT锂电池隔膜。

单壁BNNT的构造及构象（左）；多壁BNNT的构造及构象（右）

（来源：刘鑫等，《氮化硼纳米管／聚合物纳米复合材料导热性能研究进展》）

由于BNNT细且长不会堵塞隔膜上的孔道，又因为其本身良好的热稳定性和电气绝缘特性，所以这种新型BNNT电池隔膜表现出优越的热稳定性，且导热性高，防止高温下内部短路，从而可靠的减少锂离子电池热失控的威胁。另外，因为双面涂层BNNT隔膜可以通过吸收额外的热量并将其扩散到BNNT中来耐受大电流，所以在不同的高充放电电流速率下，采用BNNT隔膜的电池具有较高的可逆容量。

总之，BN热稳定性好，在改性至锂电隔膜上时，隔膜的导热系数增加，可实现均匀地镀Li／剥Li，抑制了尖锐的Li枝晶的形成。同时改性隔膜的电解质润湿性增强，Li／Cu半电池电化学循环性能、电化学稳定性、库仑效率提升。

氮化硼导热填料

动力锂电池组的性能包括能密度、使用寿命、放电倍率等受温度影响很大，很多部件都需要严格的热管理。通用的导热界面材料，多以树脂为基体并按需添加导热填料。树脂基体材料易于变形可以很好的弥合间隙增加有效接触以提升散热，但一般树脂基体热导率差，需填充以导热填料可以有效调节其热导率从而满足使用要求。

填料种类可以分为三大类，分别为金属导热填料、碳基导热填料、无机导热填料。常见的金属导热填料主要包括Al、Cu、Ag等。碳基导热填料主要有石墨、石墨烯、碳纳米管、碳纤维等。无机导热填料主要有氮化硼(BN)、碳化硅(SiC)、氮化铝(AlN)等。

导热不导电的六方氮化硼片

BN作为填料已经广泛应用于导热复合材料，可解决热导材料与处于运行中的电气部件相接触而需要的高电阻率材料避免短路的问题。将超声剥离的二维氮化硼纳米片和一维纤维素纳米纤维共混，制备的复合材料热导率高达 180W/(m·K)，是迄今为止热导率最高的纳米复合材料。

小结

多个研究表明，氮化硼凭借优异的性能特征，应用于锂电领域：无论是电池隔膜涂层，还是导热填料，利大于弊，大有作为。

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