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锂离子电池隔膜材料的研究进展

行业资讯 / 2021-08-22 00:36

本文摘要:概要:本文就当前锂离子电池研究中的热点问题──隔膜材料,综述了其主要起到及性能、国内外研究与发展现状。重点探究了隔膜的制取方法,对干法和湿法的原理、工艺及所制得的隔膜性能上的区别展开了详尽的阐释,同时非常简单讲解了隔膜的改性研究现状和新型电池隔膜的发展,最后对电池隔膜的未来发展前景作出了预测。 1章节在锂离子电池的结构中,隔膜是关键的内层组件之一。隔膜的性能要求了电池的界面结构、内阻等,直接影响到电池的容量、循环以及安全性性能等特性。

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概要:本文就当前锂离子电池研究中的热点问题──隔膜材料,综述了其主要起到及性能、国内外研究与发展现状。重点探究了隔膜的制取方法,对干法和湿法的原理、工艺及所制得的隔膜性能上的区别展开了详尽的阐释,同时非常简单讲解了隔膜的改性研究现状和新型电池隔膜的发展,最后对电池隔膜的未来发展前景作出了预测。

1章节在锂离子电池的结构中,隔膜是关键的内层组件之一。隔膜的性能要求了电池的界面结构、内阻等,直接影响到电池的容量、循环以及安全性性能等特性。性能出色的隔膜对提升电池的综合性能具备最重要的起到。隔膜技术难题在于造孔的工程技术以及基体材料制取。

其中造孔的工程技术还包括隔膜造孔工艺、生产设备以及产品稳定性。基体材料制取还包括聚丙烯、聚乙烯材料和添加剂的制取和改性技术。造孔工程技术的难题主要反映在空隙率过于、厚度失衡、强度劣等方面。本文主要较为了有所不同工艺制取的隔膜性能。

2锂离子电池隔膜制取方法聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)微孔膜具备较高孔隙率、较低的电阻、较高的抗撕裂强度、较好的抗酸碱能力、较好的弹性及对非质子溶剂的维持性能,因此锂离子电池研究研发初期用其作为隔膜材料。目前市场化的锂离子电池隔膜主要有单层PE、单层PP、3层PP/PE/PP复合膜。锂离子电池隔膜按照制取工艺的有所不同可分成干法和湿法两大类,其隔膜微孔的成孔机理有所不同[1~2]。2.1干法工艺干法是将聚烯烃树脂熔融、断裂、刮起膜做成结晶性聚合物薄膜,经过结晶化处置、热处理后,获得高度倾向的多层结构,在高温下更进一步剪切,将结晶界面展开挤压,构成多孔结构,可以减少薄膜的孔径。

干法按剪切方向不同可分成干法单向剪切和双向剪切。干法单向剪切工艺是通过软弹性纤维的方法,制取出低结晶度的高倾向PE或PP隔膜,再行高温热处理取得低结晶度的倾向薄膜。

这种薄膜再行在低温下展开剪切构成银纹等缺失,然后在高温下使缺失冲破,构成微孔。目前美国Celgard公司、日本宇部公司皆使用此种工艺生产单层PE、PP以及3层PP/PE/PP复合膜。

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该工艺生产的隔膜具备扁长的微孔结构,由于只展开单向剪切,隔膜的纵向强度较为劣,但纵向完全没热收缩。干法双向剪切工艺是中科院化学研究所20世纪90年代初研发的具备自律知识产权的工艺[3]。通过在PP中重新加入具备温度梯度起到的β晶型改良剂,利用PP有所不同相态间密度的差异,在剪切过程中再次发生晶型改变构成微孔。

与单向剪切比起,其在纵向方向的强度有所提高,而且可以根据隔膜对强度的拒绝,必要的转变纵向和横向的剪切比来取得所须要性能,同时双向剪切扣除的微孔的孔径更为均匀分布,透气性更佳。S.W.Lee等[4]使用干法双向剪切技术,制取了亚微米级孔径的微孔PP隔膜,其微孔具备很好的力学性能和渗入性能,平均值孔隙率为30%~40%,平均值孔径为0.05μm。使用双向剪切做成的隔膜的微孔外形基本上是圆形的,即有很好的渗透性和力学性能,孔径更为均匀分布。干法剪切工艺较非常简单,且无污染,是锂离子电池隔膜制取的常用方法,但该工艺不存在孔径及孔隙率较难掌控,剪切较为小,只有大约1~3,同时低温剪切时更容易造成隔膜穿孔,产品无法做到得外壳。

2.2湿法工艺湿法又称互为分离法或热致互为分离法,将液态烃或一些小分子物质与聚烯烃树脂混合,冷却熔融后,构成均匀分布的混合物,然后降温展开相分离,压制得膜片,再行将膜片冷却至相似熔点温度,展开双向剪切使分子链倾向,最后保温一定时间,用易挥发物质洗刷残余的溶剂,可制取出有互相全线贯通的微孔膜材料,此方法限于的材料范围广。使用该法的公司有日本的旭化为、东然、日东以及美国的Entek等[5]。用湿法双向剪切方法生产的隔膜孔径范围正处于互为微观界面的尺寸数量级,较为小而均匀分布。双向的剪切比均可超过5~7,因而隔膜性能呈现出各向同性,纵向剪切强度低,放血强度大,长时间的工艺流程会导致穿孔,产品可以做到得更加厚,使电池能量密度更高。

由图1可以明晰看见干法与湿法制得的电池隔膜的表面形态、孔径和产于都有相当大的有所不同。湿法工艺可以获得简单的三维纤维状结构的孔,孔的交错度比较较高,而干法工艺是剪切成孔,因此空隙狭长,成扁圆形,孔交错度较低。


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