Separators are among the key components affecting both the safety and performance of batteries. Herein, boehmite-coupled high-density polyethylene (HDPE) nanocomposite separators with enhanced safety and performance are prepared via silane treatments and electron irradiation. The silane treatment of boehmite nanoparticles (BNPs) leads to the homogeneous dispersion of the BNPs in HDPE owing to the spacer alkyl groups in silane. Electron irradiation induces chemical coupling between the silane-treated BNPs and HDPE, as well as the crosslinking of HDPE. Electron irradiation also oxidizes HDPE, improving the electrolyte affinity of the separators. Consequently, the safety and performance of the separators are significantly improved, and the degree of improvement depends on the type of silane. A nanocomposite separator comprising octadecyl-functionalized BNPs exhibits superior dimensional stability (puncture strength of 0.74 N μm$^{−1}$ and thermal shrinkage of 3.2% at 140 °C for 30 min). In addition, a nanocomposite separator comprising aminopropyl-functionalized BNPs demonstrates excellent ionic conductivity (1.61 mS cm$^{−1}$). A lithium-ion cell assembled with the nanocomposite separator has an exceptional rate capability (discharge capacity at 20 C maintains 72.9% of the capacity at 0.5 C) and cyclic stability (discharge capacity retention of 96.2% with a Coulombic efficiency of 99.5% after 100 charge/discharge cycles at 0.5 C).
분리막은 배터리의 안전과 성능에 모두 영향을 미치는 핵심 구성 요소 중 하나이다. 본 연구에서는 실란 처리 및 전자 조사를 통해 안전성과 성능이 향상된 베마이트-결합-고밀도 폴리에틸렌(HDPE) 나노복합체 분리막을 제조하였다. 베마이트 나노입자(BNP)의 실란 처리는 실란의 스페이서 알킬 그룹으로 인해 HDPE에서 BNP의 균일한 분산을 유도한다. 전자 조사는 실란 처리된 BNP와 HDPE 사이의 화학적 결합과 HDPE의 가교결합을 유도한다. 전자 조사는 또한 HDPE를 산화시켜 분리막의 전해질 친화력을 향상시킨다. 그 결과, 분리막의 안전성과 성능이 크게 향상되며 실란의 종류에 따라 개선 정도가 달라진다. 옥타데실 기능화된 BNP로 구성된 나노복합체 분리막은 우수한 치수 안정성(천공 강도 0.74 N μm$^{−1}$ 및 140 °C에서 30분간 열 수축률 3.2%)을 나타낸다. 또한, 아미노프로필 기능화 BNP를 포함하는 나노복합체 분리막은 우수한 이온 전도도(1.61 mS cm$^{-1}$)를 나타낸다. 나노복합체 분리막으로 조립된 리튬 이차전지는 탁월한 율속 성능(20C에서 방전 용량이 0.5C에서의 72.9% 유지)과 사이클 안정성(0.5 C에서의 100회 충방전 사이클 후 쿨롱 효율 99.5%로 방전용량 96.2% 유지)을 갖는다.
