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鋰離子電池有哪些獨特的優勢?它對隔膜的要求有哪些?

文章出處:技術百科責任編輯:東莞市大億塑料包裝制品有限公司 發表時間:2022-01-06

鋰離子電池因其高能量密度和長循環壽命等優點而被廣泛應用于移動電子設備和動力裝置中,然而,特斯拉事件、三星手機事件等,頻繁發生的鋰離子電池安全事故逐漸引起了人們的關注。其中,電池隔膜)作為鋰離子電池的重要組成部分之一,可提供鋰離子傳輸通道,并且可防止正、負極接觸發生短路,對鋰離子電池的安全性具有非常重要的影響。鋰離子電池隔膜要滿足如下幾個條件:(1)具有電子絕緣性,保證正負極的機械隔離;(2)有一定的孔隙率和孔徑,保證低的電阻和高的離子電導率,對鋰離子有很好的透過性;(3)耐電解液腐蝕,電化學穩定性好;(4)對電解液的浸潤性好并具有足夠的吸液保濕能力;(5)具有足夠的力學性能,包括穿刺強度、拉伸強度等;(6)空間穩定性和平整性好;(7)熱穩定性能好。鋰離子電池以其獨特的優點迅速地占據了傳統電池的市場而得到廣泛的應用,移動電話、手提電腦、照相機、攝像機等電子和信息產品現在都已采用鋰離子電池作為電源。但在一些高端的應用領域,如動力電池等容量較大的鋰離子電池方面的應用還沒有得到推廣和普及。很重要的一個原因就是現有的鋰離子隔膜的性能還沒能滿足作為高端電池隔膜的要求。高端電池對隔膜的要求:(1)高溫安全性(2)高倍率充放電性能(3)高循環使用壽命。聚烯烴類隔膜在高溫下能夠發生閉孔,進而阻止熱量進一步擴散,是現在使用最廣泛的鋰離子電池隔膜。當前應用最廣泛的聚烯烴隔膜材料是聚乙烯(PE)和聚丙烯(PP),其在100℃以上就發生軟化變形。聚烯烴類聚合物的耐熱性能差,在過充過放、快速充放或高溫下可能會熔化,造成短路起火,甚至爆炸。另一方面,聚烯烴隔膜還存在電解液浸潤性不足的問題。為了改善聚烯烴隔膜的熱穩定性和電解液浸潤性,目前主要的解決方法是在聚烯烴隔膜的單面或雙面涂覆耐高溫涂層,或者尋找可替代聚烯烴的熱穩定性好的新隔膜材料。在聚烯烴基膜上涂覆耐高溫涂層,對聚烯烴隔膜進行改性是比較常見的辦法,其對電池的電化學性能和熱閉孔性能影響不大,卻可以有效降低隔膜的熱收縮,進而提高鋰離子電池的安全性。市場上現在使用最多的是無機陶瓷涂覆隔膜,但是由于陶瓷納米顆粒易發生團聚而很難均勻的涂覆在基膜上,還會造成嚴重的孔洞堵塞,導致離子轉移電阻變大,影響鋰電池的循環性能。并且,在電池組裝過程中,無機陶瓷與基材結合性能差,陶瓷涂層易脫落,而通過加入普通的粘結劑增加結合力后又會使得隔膜透氣性能變差,增大電池內阻?;谔沾赏扛材さ倪@些缺點,使用耐高溫聚合物作為涂層材料的研究也越來越多。另一解決辦法是選擇耐高溫的新隔膜材料來替代傳統的聚烯烴材料,包括天然材料和合成材料,天然材料有纖維素及其衍生物,合成材料包括聚對苯二甲酸乙二酯(PET)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚偏氟乙烯-六氟丙烯(PVDF-HFP)、聚酰胺(PA)、聚酰亞胺(PI)、芳綸(間位芳綸(PMIA);對位芳綸(PPTA))等。PI是指主鏈上含有聚酰胺環的一類聚合物,是綜合性能最佳的有機高分子材料之一。其耐高溫在400℃以上,長期使用溫度在200~300℃之間,無明顯熔點,高絕緣性能,1000Hz下介電常數為4.0,介電損耗僅為0.004~0.007,屬F至H級絕緣材料。已廣泛應用在航空、航天、微電子、納米、液晶、分離膜、激光等領域。PI因其在性能和合成方面的突出優點,不論是作為結構材料或者是作為功能性材料,其巨大的應用前景已經得到充分的認識,被稱為是解決問題的能手。作為隔膜來說,PI隔膜與傳統的聚烯烴隔膜相比有著眾多優點:首先,其耐高溫性好,能夠提高鋰離子電池的安全性能;其次,PI多孔膜具有較高的孔隙率,且PI具有大量的極性基團,隔膜的離子電導率高,對電解液的浸潤性非常好,使得鋰離子電池適合在高倍率下充放電,縮短充電時間,并且延長鋰離子電池的使用壽命。因此,PI隔膜有望作為下一代鋰離子電池隔膜材料。PI在鋰離子電池隔膜中的應用有兩種方式,一種是在基膜上涂覆PI對基膜進行改性制備涂覆隔膜,另一種是以PI作為基材隔膜。1.改性隔膜將PI涂覆在基膜上對基膜進行改性,可以提高隔膜的熱穩定性能?;た梢赃x擇PE、PP、PP/PE/PP等聚烯烴隔膜,也可以選擇苯二甲酸乙二酯(PET)、聚環氧乙烷(PEO)、聚丙烯腈(PAN)、纖維素等無紡布作為基膜。PI在基膜上涂覆的形態可以是顆粒、纖維或者多孔膜,引入的形式可以是聚酰胺酸(PAA),也可以是PI,具體要根據所使用基膜的種類來定。Jung-KiPark[1]等將P84溶解在N,N-二甲基甲酰胺溶劑中涂覆在PE基膜兩側,溶劑揮發后形成PI復合隔膜,PI在PE基膜上形成球形顆粒。復合隔膜在不影響PE隔膜電化學性能的基礎上提高了隔膜的熱穩定性,使隔膜能夠耐140℃高溫。XingxingLiang[2]等將PAA溶液靜電紡絲制備PAA納米纖維膜,然后將PAA納米纖維膜熱亞胺化制備得到PI多孔膜,再將PI多孔膜浸泡在PEO的溶液中,干燥后得到PI/PEO的復合隔膜。LiuJian[3]等人將[email protected]的溶液進行靜電紡絲制備[email protected]膜,配置乙基纖維素(EC)和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)的鑄膜液,將PE膜浸泡在鑄膜液中,在水中清洗掉PVP后,PE膜的兩面形成EC的多孔膜,最后將[email protected]@PI膜、[email protected]膜、[email protected]膜進行熱壓制備得到三明治的PI復合隔膜,該復合隔膜在180℃下的熱收縮為0,耐高溫性很好。ChuanShi[4]等報導了他們將Al2O3納米顆粒和PI混合制備鑄膜液,涂覆在PE基膜單側,PI可以起到粘結劑的作用,將陶瓷更好的粘結在PE膜上,且復合膜表現出良好的電解液浸潤性、耐高溫性和電池2.新體系隔膜PI單獨作為基材用在鋰電池隔膜中,最常見的是靜電紡絲法制備的納米纖維膜,相轉換法或模板法制備的多孔膜,其次也有刻蝕法、燒結法等其他方法制備的PI多孔膜。LiyunCao[5]等人通過靜電紡絲的方法制備得到的PI納米纖維基無紡布能夠在500℃高溫下穩定使用,孔隙率達到90%,對極性電解液的吸液率高,阻抗低,倍率性能好,5C充放電320圈后容量保持率為99.66%。YingWang[6]等人將PAA和SiO2制備成紡絲液,靜電紡絲制備PAA/SiO2納米纖維膜,然后熱亞胺化得到PI/SiO2多孔膜,孔隙率高達90%,電解液吸收率高達2400%(普通的PP隔膜的吸液率只有169%),能耐250℃高溫,表現出較好的倍率性能和循環性能。JaritphunShayapat[7]等也采用靜電紡絲的方法制備了PAA/SiO2和PAA/Al2O3多孔膜。
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