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锂离子电池隔膜简介、..

锂离子电池隔膜简介、性能和隔膜材料分类研究
2022-09-19


锂离子电池隔膜简介


1、隔膜的主要功能


锂离子电池主要由正极、负极、隔膜、电解质和包装材料组成。隔膜作为锂离子电池的重要组成部分之一,位于正负极之间,并将正负极分开,以防止短路。隔膜在充放电过程中为锂离子的传输提供了通道。


1.1、隔膜必须具备的性能


(1)电子绝缘,保证正负材料的物理隔离,防止电池内短路:(2)在充放电过程中对锂离子有良好的透气性,保证低电阻和高离子传导率;⑶确保隔膜在使用过程中不会被电解液腐蚀和反应;(4)电化学稳定性,为了保持电池的正常使用;(5)良好的电解质渗透性,具有足够的吸入率、保留率和离子导电性:6)适当的机械性能,包括刺穿强度、拉伸强度等:(7)适当的厚度,以获得较低的内阻:(8)良好的热稳定性和热关闭性能,以确保电池在使用过程中的安全。


2、隔膜材料系统分类


2.1.微孔聚烯兴膜 经过不断的技术更新和实际应用,聚烯微孔膜已成为目前综合性能最好、工业化的锂离子电池隔膜。根据不同的生产工艺,可分为单层膜和多层膜,即聚丙烯(PP)单层膜,聚乙烯(PE)单层膜和PPPE/PP三层复合膜。以聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)以聚烯垂直微孔膜为代表优良、化学稳定性好、成本低的特点,在锂电池隔膜中占据主导地位。


2.2.改性聚烯灶膜 PE和PP隔膜对电解质的亲和力、耐温性和润湿性较差。在单层聚烯通过隔膜上添加或复合具有亲液性能和耐高温性能的材料PE、PP微孔膜表面接枝亲水性单体或改变电解质中的有机溶剂,包括涂层、浸渍、喷涂、复合等,以获得性能 优秀的复合隔断 目前制备高性能隔膜的趋势是膜。


2.3纳米纤维膜 纳米纤维膜以聚酰亚胺为原料,热稳定性极高,在250℃无热收缩,电池10c放电容量为0 ﹒2C60%远高于聚烯经膜的放电容量。以PMMA!聚氯乙烯(PVC)由复合纤维膜制成的电池电化学稳定窗为4个 . 7V。在锂离子半电池系统中,0 . 5c100次循环容量几乎没有衰减。


2.4无机涂层 无机复合膜又称陶瓷膜,由少量粘合剂和无机颗粒组成。无机复合膜具有良好的机械强度高 高热稳定性, 目前,一些隔膜企业已经产业化,具有优异的耐高温性、优异的电解液润湿性和吸附性。陶瓷材料热阻大,可防止热失控扩大,提高电池热稳定性。 对复合隔膜性能的影响, 4OnmSiO2.复合隔膜孔隙率最高,循环200次后SiO2未溶解。通过在PE膜上涂一水软铝石,处理后隔膜140C180℃下处理0 . 5h的热收缩<3%显著提高了隔膜的热稳定性。将混合均匀的浆料涂在基膜表面,用特定的机器或器具得到含量TiO2/BaTiO3的复合隔膜.


3、常用隔膜材料及其性能研究及进展.


1)聚烯垂直隔膜 由于聚烯烙膜孔隙率高、电阻低、机械性能好、耐酸碱化学稳定性好、弹性好、对非质子溶剂的维持性能好,所以聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)锂离子电池隔膜材料等聚合物的研究更加活跃。


2)目前,商用锂离子电池隔膜主要是聚乙烯、聚丙烯或复合聚合物隔膜。其制备方法主要包括拉伸孔法和相分离法。但由于自身性质的缺陷,如热稳定性的缺陷。这是由于PP的熔点约为140°℃,而PE的熔点约为160℃,当电池使用不当时,会发生严重的安全事故。因此,提高隔膜性能尤为重要。许多研究致力于发展聚烯垂直隔膜性能改进手段。


目前的主要方法是将无机材料混合到聚烯星膜中,以提高隔膜的热稳定性,如Cho利用陶瓷颗粒的热稳定性来提高隔膜的性质,以聚丙烯腈无纺布为主要材料,将陶瓷颗粒层包裹在双层无纺布之间,结合静电纺丝等工艺制备了具有三明治结构的复合陶瓷隔膜,同时大大提高了隔膜的机械强度和热稳定性。但其制备过程比较复杂,批量生产具有一定难度。隔膜和电解质需要有一定的亲和力,以促进阴阳离子的接触和渗透,聚烯经络隔膜材料由大分子碳链骨架组成,亲水性差,为了提高亲水性,通常可以使用不同的物理化学方法进行表面装饰,如羟基、我基、羧基、氨基、聚合物膜等亲水基团,能有效提高隔膜对电解液溶液的渗透性。


3.陶瓷复合隔膜 陶瓷复合材料是有机材料与复合材料结合的结果。有机材料具有足够的灵活性和力学性能,陶瓷材料能有效提高 隔膜的亲水性和 电池安全。 其结构类型主要包括单层复合、双层复合、原位复合和体相复合。陶瓷隔膜的设计主要涉及三个部分︰基膜、聚合物粘结剂、陶瓷材料。其中,陶瓷材料的颗粒尺寸、形状、含量化学对陶瓷复合隔膜的孔隙率、机械强度和电阻率有影响。例如ung聚丙烯嗝膜表面沉积超薄层AL2O3.这种陶瓷复合嗝膜可以有效提高聚丙烯膜的耐热性,改善隔膜 与电极材料一起组装成电池后,渗透性也显示出良好的循环稳定性。


除了常见的Al1203、SiO除2纳米材料外,其他纳米材料也不断应用于 陶瓷隔膜,如表面装饰材料、阻燃金属氧化物等,可促进活性离子的迁移,提高复合隔膜的热稳定性。体相复合是指陶瓷层以不同的方式分布在具有三维网络结构的基膜的上下表面和内部体相,可以通过浸渍陶瓷浆或双面涂层来实现。如Choi利用成熟的开发具有优异的耐热性PET基无纺布采用浸渍工艺均匀分散陶瓷颗粒PET复合隔膜锂离子在室温下的电导率为0.99mS/cm,与传统的聚乙烯隔膜相比,它提高了约50%,具有良好的应用性能。


结语、 我国是锂离子电池的主要生产和使用国,但锂离子电池隔膜的研发起步较晚。高端隔膜生产技术被日本、美国等国垄断,导致技术壁垒高,定位率低。虽然最近对纤维基锂离子电池隔膜的研究取得了一定的进展,但仍存在一些问题,如需要提高隔膜强度、实验室样品与大规模生产之间的距离、高温下隔膜失效机制的研究不够深入等。未来纤维基锂离子电池隔膜研究的主要方向是提高电池隔膜的厚度均匀性、孔径分布和安全稳定性。


来源:江苏阿托合成材料官方帐号



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