A comparative study on polypropylene separators coated with different inorganic materials for lithium-ion batteries

Abstract

Coating commercial porous polyolefin separators with inorganic materials can improve the thermal stability of the polyolefin separators and hence improve the safety of lithium-ion batteries. Several different inorganic materials have been studied for the coating. However, there lacks a study on how different inorganic materials affect the properties of separators, in terms of thermal stability and cell performance. Herein, we present such a study on coating a commercial polypropylene separator with four inorganic materials, i.e., Al₂O₃, SiO₂, ZrO₂ and zeolite. All inorganic coatings have improved thermal stability of the separators although with differences. The coating layers add 28%–45% of electrical resistance compared with the pure polypropylene separator, but all the cells prepared with the coated polypropylene separators have the same electrical chemical performance as the uncoated separator in terms of rate capability and capacities at different temperatures.

Key words： lithium-ion battery; battery safety; composite separator; porosity; tortuosity

Acknowledgments

The authors gratefully acknowledge financial support from the China Electric Power Research Institute (CEPRI) on this project.

References

1 Goodenough J B, Park K S. The li-ion rechargeable battery: A perspective. Journal of the American Chemical Society, 2013, 135(4): 1167–1176

2 Choi N S, Chen Z, Freunberger S A, Ji X, Sun Y K, Amine K, Yushin G, Nazar L F, Cho J, Bruce P G. Challenges facing lithium batteries and electrical double-layer capacitors. Angewandte Chemie International Edition, 2012, 51(40): 9994–10024

3 Wang Q, Ping P, Zhao X, Chu G, Sun J, Chen C. Thermal runaway caused fire and explosion of lithium ion battery. Journal of Power Sources, 2012, 208: 210–224

4 Balakrishnan P G, Ramesh R, Kumar T P. Safety mechanisms in lithium-ion batteries. Journal of Power Sources, 2006, 155(2): 401–414

5 Goodenough J B, Kim Y. Challenges for rechargeable Li batteries. Chemistry of Materials, 2010, 22(3): 587–603

6 Wu H, Zhuo D, Kong D, Cui Y. Improving battery safety by early detection of internal shorting with a bifunctional separator. Nature Communications, 2014, 5: 5193

7 Chen Z, Hsu P C, Lopez J, Li Y, To J W F, Liu N, Wang C, Andrews Sean C, Liu J, Cui Y, Bao Z. Fast and reversible thermoresponsive polymer switching materials for safer batteries. Nature Energy, 2016, 1(1): 15009

8 Augustin S, Hennige V, Hörpel G, Hying C. Ceramic but flexible: New ceramic membrane foils for fuel cells and batteries. Desalination, 2002, 146(1-3): 23–28

9 Yang P, Zhang P, Shi C, Chen L, Dai J, Zhao J. The functional separator coated with core-shell structured silica-poly (methyl methacrylate) sub-microspheres for lithium-ion batteries. Journal of Membrane Science, 2015, 474: 148–155

10 Zhang S S. A review on the separators of liquid electrolyte Li-ion batteries. Journal of Power Sources, 2007, 164(1): 351–364

11 Lee H, Yanilmaz M, Toprakci O, Fu K, Zhang X. A review of recent developments in membrane separators for rechargeable lithium-ion batteries. Energy & Environmental Science, 2014, 7(12): 3857–3886

12 Huang X, Hitt J. Lithium ion battery separators: Development and performance characterization of a composite membrane. Journal of Membrane Science, 2013, 425-426: 163–168

13 Jeong H S, Lee S Y. Closely packed SiO₂ nanoparticles/poly(vinylidene fluoride-hexafluoropropylene) layers-coated polyethylene separators for lithium-ion batteries. Journal of Power Sources, 2011, 196(16): 6716–6722

14 Fu D, Luan B, Argue S, Bureau M N, Davidson I J. Nano SiO₂ particle formation and deposition on polypropylene separators for lithium-ion batteries. Journal of Power Sources, 2012, 206: 325–333

15 Kim M, Park J H. Inorganic thin layer coated porous separator with high thermal stability for safety reinforced Li-ion battery. Journal of Power Sources, 2012, 212: 22–27

16 Fang L F, Shi J L, Jiang J H, Li H, Zhu B K, Zhu L P. Improving the wettability and thermal resistance of polypropylene separators with a thin inorganic-organic hybrid layer stabilized by polydopamine for lithium ion batteries. RSC Advances, 2014, 4(43): 22501–22508

17 Prasanna K, Kim C S, Lee C W. Effect of SiO₂ coating on polyethylene separator with different stretching ratios for application in lithium ion batteries. Materials Chemistry and Physics, 2014, 146(3): 545–550

18 Zhang P, Chen L, Shi C, Yang P, Zhao J. Development and characterization of silica tube-coated separator for lithium ion batteries. Journal of Power Sources, 2015, 284: 10–15

19 Jeong H S, Hong S C, Lee S Y. Effect of microporous structure on thermal shrinkage and electrochemical performance of Al₂O₃/poly(vinylidene fluoride-hexafluoropropylene) composite separators for lithium-ion batteries. Journal of Membrane Science, 2010, 364(1-2): 177–182

20 Jeong H S, Kim D W, Jeong Y U, Lee S Y. Effect of phase inversion on microporous structure development of Al₂O₃/poly(vinylidene fluoride-hexafluoropropylene)-based ceramic composite separators for lithium-ion batteries. Journal of Power Sources, 2010, 195(18): 6116–6121

21 Lee T, Kim W K, Lee Y, Ryou M H, Lee Y M. Effect of Al₂O₃ coatings prepared by RF sputtering on polyethylene separators for high-power lithium ion batteries. Macromolecular Research, 2014, 22(11): 1190–1195

22 Kim K, Hepowit L, Kim J C, Lee Y G, Ko J. Enhanced separator properties by coating alumina nanoparticles with poly(2-acrylamido-2-methyl-1-propanesulfonic acid) binder for lithium-ion batteries. Korean Journal of Chemical Engineering, 2015, 32(4): 717–722

23 Wang J, Hu Z, Yin X, Li Y, Huo H, Zhou J, Li L. Alumina/phenolphthalein polyetherketone ceramic composite polypropylene separator film for lithium ion power batteries. Electrochimica Acta, 2015, 159: 61–65

24 Yeon D, Lee Y, Ryou M H, Lee Y M. New flame-retardant composite separators based on metal hydroxides for lithium-ion batteries. Electrochimica Acta, 2015, 157: 282–289

25 Dong X L, Mi W L, Yu L H, Jin Y, Lin Y S. Zeolite coated polypropylene separators with tunable surface properties for lithium-ion batteries. Microporous and Mesoporous Materials, 2016, 226: 406–414

26 Zhang Z, Li X, Shi L, Ramadass P, Halmo P M, Zhang X. Separator membranes for lithium ion batteries and related methods. US Patent, 20140045033 A1, 2014

27 Call R W, Fulk C W, Shi L, Zhang X, Nguyen K V. Co-extruded, multi-layered battery separator. US Patent, 2008: US2008/0118827 A1

28 Yu L H, Jin Y, Lin Y S. Ceramic coated polypropylene separators for lithium-ion batteries with improved safety: Effects of high melting point organic binder. RSC Advances, 2016, 6(46): 40002–40009

29 An M Y, Kim H T, Chang D R. Multilayered separator based on porous polyethylene layer, Al₂O₃ layer, and electro-spun PVdF nanofiber layer for lithium batteries. Journal of Solid State Electrochemistry, 2014, 18(7): 1807–1814

30 Shin W K, Kim D W. High performance ceramic-coated separators prepared with lithium ion-containing SiO₂ particles for lithium-ion batteries. Journal of Power Sources, 2013, 226(0): 54–60

31 Arora P, Zhang Z. Battery separators. Chemical Reviews, 2004, 104(10): 4419–4462