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氟化物新能源技術(shù)研究中心、北京大學(xué)、清華大學(xué)團隊--熱切換、三功能陶瓷-水凝膠納米復(fù)合材料可在實際電池系統(tǒng)中實現(xiàn)全生命周期安全

與火災(zāi)和爆炸相關(guān)的大型鋰離子電池系統(tǒng)的熱失控 (TR) 故障已成為越來越受關(guān)注的問題。在這里，我們設(shè)計了一種智能陶瓷-水凝膠納米復(fù)合材料，提供集成的熱管理、冷卻和防火功能，并實現(xiàn)全生命周期的安全性。玻璃陶瓷納米帶海綿表現(xiàn)出很高的機械柔韌性，具有 80% 的可逆壓縮率和高抗疲勞性，可以與聚合物納米粒子水凝膠牢固耦合并形成熱轉(zhuǎn)換納米復(fù)合材料。在運行模式下，納米復(fù)合材料的高焓可實現(xiàn)高效的熱管理，從而防止在極快充電條件下出現(xiàn)局部溫度峰值和過熱。在機械或熱濫用的情況下，儲存的水可以立即釋放，留下具有低導(dǎo)熱率（42 mW m^-1K^-1 200 ℃）和耐高溫（高達(dá) 1300℃）的高柔性陶瓷基體 C，從而有效地冷卻TR電池并減輕毀滅性的TR傳播。多功能性、自適應(yīng)性、環(huán)境友好性和制造可擴展性使這種材料在實際安全保證應(yīng)用中極具吸引力。

圖 1. (a) 實際全生命周期熱安全管理的要求和解決方案。 (b) 從陶瓷溶膠到陶瓷-水凝膠納米復(fù)合材料的轉(zhuǎn)化過程。 (c) 不同材料的表面 zeta 電位。 (d) 源自 X 射線顯微斷層掃描的納米復(fù)合材料的 3D 重建。 (e) 制造的陶瓷-水凝膠納米復(fù)合材料相關(guān)尺寸的示意圖。

圖 2. (a) 通過靜態(tài)混合輔助溶液-吹塑-紡絲法批量生產(chǎn)陶瓷納米帶海綿。 (b) 不同成分的陶瓷納米帶的橫截面 SEM 圖像。 (c) SEM 圖像顯示單個納米帶的超低曲率半徑。 (d) 陶瓷納米帶的明場 TEM 圖像，說明了玻璃陶瓷結(jié)構(gòu)。右圖：對應(yīng)的 EDS 映射。 (e) 陶瓷納米帶的 HR-TEM 圖像顯示了 ZrO₂ NPs 的單晶性質(zhì)。 (f) ZrO₂ 納米顆粒的 SAED 圖案表明陶瓷納米帶是多晶材料，其中結(jié)晶成分是四方 ZrO₂。 (g) 彎曲到相同程度的五個代表性納米帶中的 von Mises 應(yīng)力分布以及具有不同 ZrO₂-SiO₂ 比率（1:2、1:1、2:1、3:1 和 4:1）的所有納米帶的有限元模型。

圖 3. (a) 在 FIB-SEM 內(nèi)對單個 2ZrO2·SiO2 納米帶進(jìn)行原位彎曲測試。 (b) 陶瓷納米帶海綿的單軸壓縮-恢復(fù)應(yīng)力與應(yīng)變曲線的關(guān)系。 (c) 壓縮應(yīng)變?yōu)?50% 的陶瓷納米帶海綿的 1000 次循環(huán)疲勞試驗。 (d) 陶瓷納米帶海綿的楊氏模量、能量損失系數(shù)和最大應(yīng)力與循環(huán)次數(shù)的函數(shù)關(guān)系。 (e) 顯示 PNP 水凝膠形成的示意圖。 (f) PNP 水凝膠在三個循環(huán)中的階躍應(yīng)變測量 (ω = 10 rad s^-1 25 ℃)。（g 和 h）作為應(yīng)變（ω = 10 rad s^-1, 25 ℃）和頻率（ε = 2%, 25℃）的函數(shù)的 PNP 水凝膠的振蕩剪切流變學(xué)。 (i) PNP 水凝膠的穩(wěn)定剪切流變學(xué)。

圖 4. (a) 陶瓷-水凝膠納米復(fù)合材料的循環(huán) DSC。插圖：由鋁塑薄膜封裝的納米復(fù)合材料。 (b) 比較報告的相變材料和冷卻劑之間的材料焓。 (c) 納米復(fù)合材料的熱導(dǎo)率。 (d) 長循環(huán)實驗中電池表面的溫度波動。 (e 和 f) 由納米復(fù)合材料包裹的四電池模塊在 1 C 下沒有保護的循環(huán)性能。(g) 測試的單電池照片及其在 100 至 350 分鐘放電過程中的 IR 圖像。 (h) 三個電池在充電和放電期間的溫度曲線。 (i 和 j) 純和納米復(fù)合材料包裹電池的 TR 溫度圖和通過 ARC 測試測量的相應(yīng)溫度升高率。

圖 5. (a) 陶瓷-水凝膠納米復(fù)合材料的熱重曲線。 (b) 理論計算得到的層狀和各向同性結(jié)構(gòu)模型的傳熱過程。 (c) 從理論計算和實驗測量中獲得的熱導(dǎo)率結(jié)果的比較。（d 和 e）四電池 LIB 模塊和受納米復(fù)合材料保護的相應(yīng)模塊結(jié)構(gòu)的釘子穿透誘導(dǎo)的 TR 傳播測試期間溫度的時間演變。（f 和 g）過熱引起的 TR 傳播測試期間溫度的時間演變和受納米復(fù)合材料保護的相應(yīng)模塊結(jié)構(gòu)。 (h) TR 傳播測試期間受保護的 24 芯 LIB 包的照片。

相關(guān)研究成果由氟化物新能源技術(shù)研究中心、北京大學(xué)、清華大學(xué)團隊Fei Xu、Xiaoding Wei和Hui Wu等人2022年發(fā)表在ACS Nano (https://doi.org/10.1021/acsnano.2c02557)上。原文：Thermal-Switchable, Trifunctional Ceramic–Hydrogel Nanocomposites Enable Full-Lifecycle Security in Practical Battery Systems。

轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號



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