離子門隔膜——“開”狀態時離子遷移，“關”時限制離子遷移

　　近年來，鋰離子電池（LIB）已經應用在了生活中的各個領域，從根本上改變了人類社會的發展。在未來三十年內，鋰離子電池的價格預計將下降近80%，而產量預計將每年增加30%。鋰離子電池目前仍然是汽車電氣化和電網的主要儲能設備。然而，作為能量存儲系統就必須密切關注自放電和日歷壽命損失問題，特別是在高溫條件下。由于電池的機械損壞或在正常條件下運行時內部缺陷造成的短路會導致危險的熱失控，最近的電動汽車電池組著火就是很明顯的例證。快速的自放電和焦耳熱可以迅速將溫度提高到隔膜的熔點以上，并開始分解電極材料(150-250°C)，進而引發一系列放熱反應和熱失控。鋰金屬陽極的使用、快速充電的需求和不斷變薄的隔膜增加了枝晶生長和其他缺陷誘發的短路的可能性，同時也增加了機械變形的風險。為了提高高能量密度電池的安全性能，通過設計在機械變形時斷裂的集流體，或者使用熱敏聚合物來電隔離活性材料，以試圖降低故障事件的嚴重程度。大量阻燃、過充保護氧化還原梭以及剪切增稠電解質添加劑已被開發出來，極大地提高了電池的安全性； 然而，這些在高電壓下通常是不穩定的，同時也犧牲了整個電池的能量密度。

　　鑒于此，來自于美國加州大學圣地亞哥分校的劉平教授制備了一種離子門隔膜，它允許在氧化“開”狀態時離子遷移，但在切換到還原“關”狀態時限制離子遷移。該隔膜可在嚴重短路事件發生時，顯著降低自放電速率，使溫升降到最低。該研究以題為“Reversible Switching of Battery Internal Resistance Using Iongate Separators” 的論文發表在最新一期《Advanced Functional Materials》上。

　　圖片文章亮點：

　　(1)該隔膜是通過在傳統聚烯烴隔膜上沉積致密的300納米聚吡咯:聚多巴胺（PPy:PDA）薄膜來實現的。通過使用這種離子門隔膜作為第三電極，可以實現離子門電阻的快速且可逆的數量級增加。

　　(2) 當離子門隔膜處于“關閉”狀態下存放電池時，可以顯著抑制離子通量。與普通電池相比，使用離子門隔膜的電池容量損失減少了約 37%，并且在55 °C下放置 2 周儲存時幾乎可以完全消除過渡金屬（Ni、Mn、Co）的交換現象。

　　(3) 這種離子門電池在“開”的狀態下顯示出與普通電池一樣的循環性能，但當它處于“關閉”狀態時，就會有效地關閉電池。此外，當處于短路時，離子門電池也可以通過關閉狀態來提高安全性能。

　　圖1 離子門電池的機理說明

　　圖2 電池在處于開/關閉狀態下的電化學性能測試