论文标题：Flame-retardant polybenzimidazole-based composite separator for enhanced high-temperature performance and fire safety of lithium-ion batteries

期刊：Frontiers in Energy

作者：Wanqing Li, Yukun Cao, Xiangfei Ren, Ruyi Yang, Yongchun Kan, Yuan Hu

发表时间：29 May 2025

DOI：10.1007/s11708-025-1027-z

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文章简介

本文围绕锂离子电池（LIBs）的安全与性能瓶颈问题展开研究，通过非溶剂诱导相分离法制备了一种新型复合隔膜P@HLi。该隔膜以聚芳醚苯并咪唑（OPBI）为基质，复合锂化埃洛石纳米管（HNTs-Li），实现了电化学性能与热安全的协同提升。研究通过材料表征、电化学测试及安全评估，系统验证了P@HLi隔膜在抑制锂枝晶生长、增强高温稳定性及阻燃性能方面的优势，为高安全LIBs的设计提供了新思路。

研究背景及意义

随着全球碳中和目标的推进，锂离子电池（LIBs）作为能源转型的核心组件需求激增，但其商用隔膜的非均匀孔结构易导致锂枝晶生长，引发短路及容量衰减；同时，聚烯烃隔膜的低耐热性和易燃性加剧了热失控风险，成为制约高能量密度LIBs发展的关键瓶颈。因此，开发兼具高离子电导率、热稳定性与阻燃性的隔膜材料具有重要意义。本研究创新性地将OPBI与HNTs-Li结合：OPBI具有耐高温（分解温度>600 ℃）、机械强度高及固有阻燃性；HNTs-Li作为天然管状纳米材料，经酸化锂化后可调控孔结构并提供锂离子传输通道。二者协同作用有望突破传统隔膜的性能权衡，为解决LIBs安全与性能矛盾提供新方案。

主要研究内容

研究首先通过非溶剂诱导相分离法制备了P@HLi复合隔膜：将HNTs-Li均匀分散于OPBI的N-甲基吡咯烷酮溶液中，涂覆后经相转化形成多孔结构。扫描电子显微镜（SEM）表征显示，HNTs-Li呈高长径比管状（>50），P@HLi-20隔膜（含20% HNTs-Li）具有三维互联多孔网络，孔隙率达90.9%，且C、O、Al、Si元素分布均匀，证实HNTs-Li与OPBI基质的良好相容性。

图1 隔膜的合成过程示意图及扫描电子显微镜表征

傅里叶变换红外光谱（FTIR）与X射线衍射（XRD）结果表明，HNTs-Li的引入未改变OPBI化学结构，但通过氢键作用促进了复合膜的结晶度降低，有利于离子传输。热重分析（TGA）和差示扫描量热法（DSC）测试显示，P@HLi-20隔膜在氮气氛围下600 ℃才开始分解，且无熔融峰，显著优于商用Celgard隔膜（165 ℃熔融）。

图2 不同隔膜的热稳定性及燃烧测试实验

P@HLi-20隔膜的电解质接触角仅29.1°，2秒内完全浸润，电解质吸收率达550.32%，归因于OPBI极性基团与HNTs-Li表面羟基的协同作用。离子电导率测试显示，其室温电导率达1.551 mS/cm，是Celgard的9.3倍，且在8C高倍率下放电容量仍保持90%以上。Li//Li对称电池测试中，P@HLi-20隔膜实现600小时稳定循环，极化电压仅50 mV，而Celgard在250小时后短路。LFP//Li电池在90 ℃、1C循环100次后容量保持率98.0%，放电容量131.1 mAh/g，表明其具有优异的高温循环稳定性。燃烧实验显示，P@HLi-20隔膜在火焰中自熄，残炭率达42%，而Celgard完全燃烧。微型量热法（MCC）数据表明，其峰值热释放速率（PHRR）和总热释放量（THR）分别较Celgard降低了52.67%和68.42%。软包电池热失控测试中，P@HLi-20隔膜使电池最高温度降至528 ℃，燃烧时间缩短了24秒，证实其显著提升了电池的安全性。

图3 隔膜的基本性能及静电势分布

图4 隔膜的电化学及高温性能

图5 软包电池的火灾危险性分析

研究结论

本研究成功制备了OPBI/HNTs-Li复合隔膜P@HLi，通过HNTs-Li的孔结构调控与OPBI的热稳定性协同，实现了LIBs性能与安全的全面优化。关键发现包括：

1. 结构优化：HNTs-Li的引入构建了三维多孔网络，提升孔隙率至90.9%，离子电导率达1.551 mS/cm；

2. 电化学增强：P@HLi-20隔膜使LFP//Li电池在90 ℃下循环100次容量保持率98.0%，NCM811//Li初始放电容量达167.9 mAh/g；

3. 安全提升：通过凝聚相炭层阻隔与气相阻燃协同，PHRR和THR分别降低52.67%和68.42%，软包电池热失控风险显著降低。

该研究为高性能阻燃隔膜的设计提供了简便方法，为高安全LIBs的开发奠定了材料基础。

原文信息

Flame-retardant polybenzimidazole-based composite separator for enhanced high-temperature performance and fire safety of lithium-ion batteries

Wanqing Li, Yukun Cao, Xiangfei Ren, Ruyi Yang, Yongchun Kan*, Yuan Hu*

Author information：

State Key Laboratory of Fire Science, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China

Abstract：

The non-uniform pore size distribution and high flammability of commercial separators pose significant challenges to the safe application of high-energy-density lithium-ion batteries. In this study, a flame-retardant composite separator (P@HLi) with high thermal stability was successfully developed, which not only suppressed lithium dendrite growth but also improved high-temperature cycling performance of batteries and significantly enhanced their thermal safety. Li//Li symmetric batteries equipped with P@HLi-20 separators demonstrated stable cycling for over 600 h at a low polarization potential (approximately 50 mV), effectively reducing the formation of “dead lithium” and lithium dendrites. The LFP//Li and NCM811//Li cells with P@HLi-20 separators delivered initial discharge specific capacities of 142.0 and 167.9 mAh/g, respectively. Notably, the LFP//Li battery with P@HLi-20 separator showed excellent high-temperature cycling performance, maintaining 98.0% capacity retention and a discharge capacity of 131.1 mAh/g after 100 cycles at 1 C at 90 °C. Furthermore, pouch cells assembled with P@HLi-20 separators exhibited reductions of 52.67% in peak heat release rate (PHRR) and 68.42% in total heat release (THR) compared to those using Celgard separators, demonstrating superior thermal safety. These results confirm that the P@HLi separator offers comprehensive improvements in both electrochemical performance and safety characteristics.

Keywords:

poly(arylene ether benzimidazole); fire safety; flame retardant; lithium-ion batteries; high-temperature performance

Cite this article:

Wanqing Li, Yukun Cao, Xiangfei Ren, Ruyi Yang, Yongchun Kan, Yuan Hu. Flame-retardant polybenzimidazole-based composite separator for enhanced high-temperature performance and fire safety of lithium-ion batteries. Front. Energy,

https://doi.org/10.1007/s11708-025-1027-z

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通讯作者简介

胡源，中国科学技术大学火灾安全全国重点实验室研究员、火灾实验室安全材料研究所所长、中国科学院特聘研究员核心骨干。研究方向：新型阻燃剂和阻燃聚合物材料；先进聚合物纳米复合功能材料和无机功能材料；绿色阻燃可生物降解材料；材料火灾安全性评价方法及提高技术；危险化学品应急处置和环境修复关键技术；火灾调查关键技术；生物医用功能材料；安全工程相关材料（棉麻粮食安全保障、锂电池安全和灭火工程材料等）。学术任职：全国专业标准化技术委员会SAC/TC 300副主任；全国专业标准化技术委员会SAC/TC 113委员；中国塑料加工工业协会阻燃材料与应用专业委员会委员；中国石化联合会阻燃材料专业委员会委员；J of Fire Science编委；Composites Part A：Applied Science and Manufacturing编委；Green Materials编委。科研项目：国家棉麻、粮食物资储备库安全保障技术与装备研发，国家重点研发计划项目，主持，执行期：2017.07-2020.12；受限空间典型高分子材料燃烧行为和机理的研究，国家自然科学基金重大项目课题，主持，执行期：2020.01-2024.12；聚磷腈增韧阻燃双马来酰亚胺/碳纤维复合材料的设计、性能及机理研究，国家自然科学基金面上项目，主持，执行期：2020.01-2023.12；建筑外墙保温材料的火灾特性与安全设计：科技部973项目“城市高层建筑重大火灾防控关键基础问题研究”课题，主持，2012.01-2016.12；新型含磷/硅（生物基）多元醇与功能纳米催化剂的制备及其软质聚氨酯泡沫阻燃与抑烟减毒性能提升的研究，国家自然科学基金国际（地区）合作与交流项目，主持，执行期：2018.01-2020.12；阻燃聚合物电解质功能化设计及其聚酰胺66纤维/织物的层层自组装涂层的构建与机理研究，国家自然科学基金面上项目，主持，执行期：2016.01-2019.12；阻燃环氧树脂/功能化石墨烯纳米复合材料的设计、性能及机理研究，国家自然科学基金面上项目，主持，执行期：2014.01-2017.12；本质阻燃聚苯乙烯分子设计及其纳米复合材料的制备与阻燃机理的研究，国家自然科学基金联合基金项目，2011.01-2013.12，主持；阻燃聚合物/粘土纳米复合材料的燃烧特性及其潜在火灾危险性研究：国家自然科学基金面上项目，主持，执行期：2005.01-2007.12；清洁聚合物/层状无机物纳米复合材料阻燃机理的研究：国家自然科学基金面上项目，主持，执行期：2001.01-2003.12；纳米复合阻燃新技术与原理：科技部973项目“火灾动力学演化与防治基础”子课题，主持，执行期：2002.04-2007.03；阻燃和灭火技术研究：科技部“十一五”国家科技支撑计划项目“城市火灾防治关键技术研究及应用示范”子课题，主持，执行期：2006.10-2009.11；危险化学品应急救援关键技术研究及装备研发：科技部“十一五”国家科技支撑计划项目“危险化学品事故监控与应急救援关键技术研究与工程示范”子课题，主持，执行期：2006.10-2009.11；新型建筑防火阻燃材料及应用技术研究：科技部“十一五”国家科技支撑计划项目“城市火灾防治关键技术研究及应用示范”子课题，主持，执行期：2006.10-2009.11；阻燃工程塑料/层状无机物纳米复合材料的研究：安徽省“十五”重大科技攻关项目，主持，执行期：2001.01-2003.12；汽车内饰件用无卤阻燃聚氨酯材料的产业化研究：广东省中国科学院全面战略合作项目，主持，执行期：2010.09-2012.12；聚合物（聚氨酯、聚苯乙烯）纳米复合材料阻燃母粒：国家发改委高技术产业化示范工程项目，主持，执行期：2001.01-2004.12；轨道交通动力牵引系统用特种电缆及智能化C-GIS开关设备研发与产业化：江苏省科技成果转化专项资金项目，主持（技术负责人），执行期：2007.09-2010.08。

阚永春，中国科学技术大学火灾安全全国重点实验室副研究员。研究方向：锂离子电池安全性能防护；环保防火涂料；功能化高分子火安全材料。科研项目：新型环保防护阻燃技术：国家重点研发计划“城市重特大火灾防控与治理关键技术研究”子课题。

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Frontiers in Energy是中国工程院院刊能源分刊，高教社Frontiers系列期刊之一。由中国工程院、上海交通大学和高等教育出版社共同主办。翁史烈院士和倪维斗院士为名誉主编，中国工程院院士黄震、周守为、苏义脑、彭苏萍担任主编。加拿大皇家科学院、加拿大工程院、中国工程院外籍院士张久俊，美国康涅狄格大学校长、教授Radenka Maric，上海交通大学教授Nicolas Alonso-Vante和巨永林担任副主编。

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