Ultra-thin SiO2 nanoparticle layered separators by a surface multi-functionalization strategy for Li-metal batteries: Highly enhanced Li-dendrite resistance and thermal properties

材料科学 表面改性 化学工程 涂层 分离器(采油) 热稳定性 甲基丙烯酸酯 纳米颗粒 电解质 聚合物 乙二醇 复合材料 聚合 纳米技术 电极 工程类 物理 化学 物理化学 热力学
作者
Jae-Won Park,Young Je Kwon,Jeongsik Yun,Kaiyun Zhang,Min Jeong Lee,Gyeong Min Choi,Ji Woo Bae,Se‐Hun Kim,Joon Ha Chang,Min Wook Pin,Jin Hong Lee,Hoik Lee,Kie Yong Cho
出处
期刊:Energy Storage Materials [Elsevier BV]
卷期号:65: 103135-103135 被引量:21
标识
DOI:10.1016/j.ensm.2023.103135
摘要

Mechanical and thermal failure of a polyolefin separator often causes the internal short-circuit of batteries, which leads to abrupt heat generation in a short time, so-called thermal runaway. For this, we introduce grafting polymer layers with cross-linking to make a superior, thin, and uniform SiO2 layer with strong chemical binding to the surface of a polypropylene separator (PPS). The surface of the PPS was modified with i) coating of double bond-contained PVDF, ii) grafting with poly(ethylene glycol) methacrylate, 3-(trimethoxysilyl)propyl methacrylate, and ethylene glycol dimethacrylate, and iii) coating with SiO2 nanoparticles via immersing (GDPS-SNPI) or casting (GDPS-SNPC) methods. The pore structure and distribution, electrolyte affinity, thermal stability, and mechanical properties were progressively improved after respective modification steps. The GDPS-SNPC cell shows excellent capacity retention of 100% at 1 C after 100 cycles and the lowest increase in the cell impedance, whereas the LFP half-cell with PPS exhibited capacity retention of 88.32%. Furthermore, it is found that the coating method for SiO2 nanoparticles substantially influences the long-term cycling stability of Li-symmetric cells. The GDPS-SNPC cell survived after cycling over 1,000 h at a current density of 1 mA cm−2, whereas the GDPS-SNPI cell died before 500 h. Post-mortem analysis of the cycled Li-metal surface shows that smooth Li-plating occurred at the GDPS-SNPC cell, presumably due to a high Li-ion transference number. This work provides a solid methodology for producing a novel and robust separator and advances the understanding of separators' impact on electrochemical and physical phenomena within the cell.
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