Литий-ионный аккумулятор нового поколения будет сделан из материала диафрагмы?

Сеть накопления энергии Polaris: литий-ионный аккумулятор широко используется в мобильных электронных устройствах и силовых устройствах из-за его высокой плотности энергии, длительного срока службы и других преимуществ, однако событие тесла, событие мобильного телефона samsung, частые аварии, связанные с безопасностью литий-ионных аккумуляторов, постепенно уменьшаются. привлекли внимание людей. Диафрагма батареи (рисунок 2), как один из важных компонентов литий-ионной батареи, может обеспечивать канал передачи литий-ионного аккумулятора и предотвращать короткое замыкание в контакте между положительным и отрицательным электродами, что очень важно для безопасности литий-ионного аккумулятора. . Диафрагма литий-ионного аккумулятора соответствует следующим условиям:

(1) он имеет электронную изоляцию для обеспечения механической изоляции положительного и отрицательного электродов;

(2) он имеет определенную пористость и размер пор, чтобы обеспечить низкое сопротивление и высокую ионную проводимость, а также хорошую проницаемость для ионов лития;

(3) устойчивость к электролитной коррозии, хорошая электрохимическая стабильность;

(4) хорошая инфильтрация электролита и достаточная абсорбирующая способность удерживать влагу;

(5) достаточные механические свойства, включая прочность на прокол, прочность на разрыв и т.д .;

(6) хорошая пространственная устойчивость и плавность хода;

(7) хорошая термическая стабильность.

Литий-ионный аккумулятор с его уникальными преимуществами быстро занял традиционный рынок аккумуляторов и получил широкое распространение. Мобильные телефоны, ноутбуки, фотоаппараты, фотоаппараты и другие электронные и информационные продукты теперь используют литий-ионный аккумулятор в качестве источника питания. Однако в некоторых высокопроизводительных приложениях, таких как силовые батареи и другие литий-ионные батареи большой емкости, не было продвижения и популяризации. Одна из важных причин заключается в том, что характеристики существующей ионно-литиевой мембраны не соответствуют требованиям, предъявляемым к мембране аккумуляторной батареи высокого класса. Требования к диафрагме аккумуляторной батареи высокого класса:

(1) безопасность при высоких температурах

(2) высокая мощность заряда-разряда

(3) длительный цикл жизни.

Полиолефиновая мембрана может быть закрыта при высокой температуре, что предотвращает дальнейшее распространение тепла, в настоящее время наиболее широко используемая мембрана для литий-ионных аккумуляторов. В настоящее время наиболее широко используемыми полиолефиновыми диафрагмами являются полиэтилен (PE) и полипропилен (PP), его деформация при размягчении происходила при температуре более 100 ℃. Полиолефиновые полимеры обладают плохой термостойкостью и могут плавиться при избыточной зарядке и чрезмерной разрядке, быстрой зарядке и разрядке или высокой температуре, что приводит к короткому замыканию, возгоранию и даже взрыву. С другой стороны, проникновение электролитов в полиолефиновые мембраны недостаточное. В целях повышения термостойкости полиолефиновой мембраны и проникновения электролита основным решением в настоящее время является нанесение термостойкого покрытия на одну или обе стороны полиолефиновой мембраны или поиск новых мембранных материалов с хорошей термостойкостью, которые могут заменить полиолефин.

Покрытие на основе полиолефиновой основы, устойчивое к высоким температурам, является распространенным способом модификации полиолефиновой мембраны, которая мало влияет на электрохимические свойства и свойства термического закрытия пор батареи, но может эффективно уменьшить термическую усадку мембраны, тем самым повышая безопасность литий-ионный аккумулятор. В настоящее время мембрана с неорганическим керамическим покрытием является наиболее часто используемой на рынке, но поскольку керамические наночастицы склонны к агломерации и их трудно равномерно нанести на базовую пленку, это также вызовет серьезную закупорку отверстий, что приведет к увеличению количества ионов. сопротивление передачи, влияющее на производительность литиевой батареи по переработке. Кроме того, в процессе сборки батарей комбинация неорганической керамики и подложки оставляет желать лучшего, и керамическое покрытие легко отслаивается. Однако добавление обычного связующего для увеличения силы сцепления ухудшит проницаемость диафрагмы и повысит внутреннее сопротивление батареи. Из-за этих недостатков керамического покрытия использование термостойких полимеров в качестве материалов для покрытий становится все более и более предметом исследований.

Другое решение - выбрать новый материал диафрагмы для замены традиционных полиолефиновых материалов, устойчивых к высоким температурам, включая натуральные материалы и синтетические материалы, природные материалы с целлюлозой и ее производными, синтетические материалы, включая поли (этил 2 терефталат (ПЭТ) и поливинилиденфторид. ) (PVDF), поливинилиденфторид - гексафторпропилен (PVDF HFP), полиамид (PA), полиимид (PI), арамид (арамид (PMIA); параарамидное волокно (PPTA) и др.

PI представляет собой разновидность полимера, содержащего полиамидное кольцо в основной цепи, который является одним из органических полимерных материалов с наилучшими комплексными характеристиками. Его устойчивость к высокой температуре выше 400 ℃, длительное использование температуры от 200 до 300 ℃, отсутствие очевидной точки плавления, высокие изоляционные характеристики, диэлектрическая постоянная 1000 Гц составляла 4,0, диэлектрические потери составляли всего 0,004 ~ 0,007, принадлежат к классу F. H изоляция. Он широко используется в авиации, космонавтике, микроэлектронике, нано-, жидких кристаллах, разделительной пленке, лазере и других областях. Благодаря своим выдающимся преимуществам в характеристиках и синтезе, PI, будь то конструкционный или функциональный материал, был полностью признан за свои огромные перспективы применения и известен как «эксперт по решению проблем».

В качестве диафрагмы PI-диафрагма имеет много преимуществ по сравнению с традиционной полиолефиновой диафрагмой: во-первых, она имеет хорошую устойчивость к высоким температурам, что может улучшить характеристики безопасности литий-ионной батареи; Во-вторых, пористая мембрана PI имеет высокую пористость, PI имеет большое количество полярных групп, мембрана имеет высокую ионную проводимость, инфильтрация электролита очень хорошая, поэтому литий-ионный аккумулятор подходит для зарядки и разрядки с высокой скоростью. , сократите время зарядки и продлите срок службы ионно-литиевой батареи. Таким образом, ожидается, что диафрагма PI станет материалом для мембран литий-ионных аккумуляторов следующего поколения. PI применяется в мембране литий-ионного аккумулятора двумя способами. Первый заключается в нанесении на базовую мембрану PI, чтобы модифицировать базовую мембрану для подготовки покрывающей мембраны; другой - использовать PI в качестве субстратной мембраны.

1. Модифицированная диафрагма.

Покрытие PI на основной мембране может улучшить термическую стабильность мембраны. Базовая пленка может быть изготовлена из полиолефиновых мембран, таких как PE, PP, PP / PE / PP, или нетканых материалов, таких как этиленфталат (PET), полиэтиленоксид (PEO), полиакрилонитрил (PAN) и целлюлоза. Покрытие PI на основной пленке может быть в виде частиц, волокон или пористой пленки. Введенная форма может быть полиамидокислотой (PAA) или PI, в зависимости от типа используемой основной пленки. Jung-ki Park et al. [1] растворил P84 в растворителе N, n-диметилформамид и покрыл его с обеих сторон полиэтиленовой основной пленки. После улетучивания растворителя была сформирована композитная мембрана PI, и PI образовал сферические частицы на основной пленке PE. Композитная мембрана не влияет на диафрагму на основе электрохимических характеристик полиэтилена для улучшения термической стабильности диафрагмы, диафрагма может выдерживать высокую температуру 140 ℃. Xingxing Liang [2] и др. изготовили мембрану из нановолокна PAA путем электроспиннинга раствора PAA, а затем приготовили пористую мембрану PI путем термического имитации мембраны из нановолокна PAA. Затем пористую мембрану из PI пропитывали раствором PEO, и после сушки получали композитную мембрану из PI / PEO. Лю Цзянь [3] раствора SiO2 @ PI, такого как подготовка пленки SiO2 @ PI к электростатическому прядению, конфигурация из этилцеллюлозы (EC) и поливинилпирролидона (PVP), раствор для литья пропитал пленку PE в литейном растворе, промыв в воде после PVP, обе стороны полиэтиленовой мембраны, образующей пористую мембрану EC, наконец, будет пленка SiO2 @ @ PI PI, пленка EC @ PE, подготовка SiO2 @ горячим прессованием композитной мембраны сэндвич PI PI мембраны, композитная диафрагма под 180 ℃ термоусадочная до 0, хорошая устойчивость к высоким температурам (рисунок 3). Чуан Ши и др. [4] сообщили, что они смешали наночастицы Al2O3 с PI для приготовления раствора для литейной пленки и нанесли его на одну сторону основной пленки PE. PI может действовать как связующее для лучшего сцепления керамики с полиэтиленовой пленкой, а композитная пленка показывает хорошую инфильтрацию электролита, устойчивость к высоким температурам и батарею.

2. Новая системная диафрагма.

PI используется только в качестве основного материала в мембране литиевой батареи. Наиболее распространенными являются мембрана из нановолокон, полученная электростатическим прядением, пористая мембрана, полученная методом фазового преобразования или темплатным методом, и пористая мембрана из PI, полученная травлением, спеканием и другими методами.

LiyunCao [5] и другие получены методом электростатического прядения. Подготовка нанометрового волокна. PI wiki нетканый материал может использоваться стабильность при высокой температуре 500 ℃ (рис. 3), уровень пор 90%, полярность поглощения жидкости электролита скорость высокая, низкий импеданс, коэффициент полезного действия хорошие, 5 c для зарядки и разрядки остаются на уровне 99,66% после 320 раз. Инь, Ван [6] и др. Подготовка PAA и SiO2 в прядь, подготовка к электростатическому прядению нановолоконной мембраны PAA / SiO2, а затем получение PI пористой мембраны термической / SiO2, пористость достигает 90%, скорость поглощения электролита достигает 2400% (обычный PP скорость абсорбции жидкости диафрагмы составляет всего 169%), которая может выдерживать температуры до 250 ℃, демонстрирует хорошие рабочие характеристики и рабочие характеристики цикла. Jaritphun Shayapat et al. [7] также приготовили пористые мембраны из ПАК / SiO2 и ПАК / Al2O3 методом электростатического формования.

Баоку Чжу [8] и т. Д. Раствор ПАК с нерастворителем индуцировал метод разделения фаз, приготовление пористой мембраны ПАК, а затем получение ИП термопористой мембраны, контролируя условия образования пленки, сделал отверстие примерно на 0,5 микрон, равномерное распределение, Губчатая пористая мембрана из ПИ, ионная проводимость пористой мембраны может достигать 2,15 мСм / см, скорость абсорбции жидкости 250% при термоусадке 180 ℃ (рис. 5). Сюяо Ху [9] и рассеивание SiO2 в растворе PI NMP, а затем будет позволено высохнуть смеси, с HF травлением SiO2 получить пористую мембрану PI, и по сравнению с мембраной PP обнаружил, что пористая мембрана PI не имеет очевидной термоусадочной способности при 180 ℃, повысить безопасность литий-ионного аккумулятора.

【 заключение 】

С развитием электронной информации и новой энергетики были выдвинуты более высокие требования к характеристикам литий-ионных аккумуляторов, особенно аккумуляторных батарей для транспортных средств на новой энергии. Являясь одним из четырех основных материалов диафрагмы литий-ионного аккумулятора, он напрямую влияет на безопасность аккумулятора, его толщина, пористость, скорость поглощения жидкости, химическая стабильность, электростатическая ценность напрямую влияют на электрические характеристики аккумулятора. Традиционная полиолефиновая мембрана имеет низкую скорость абсорбции жидкости и высокую термостойкость, поэтому необходимо разработать новое поколение мембранных материалов с хорошей термостойкостью и хорошей инфильтрацией электролита. Структура и характеристики PI делают его мембраной литиевой батареи, а традиционная пленка PE, PP имеет большое преимущество. 4 августа 2010 г. компания Dupont объявила о разработке вики-сепаратора из полиимидных нановолокон для литий-ионных аккумуляторов, который может повысить мощность и срок службы аккумуляторов на 15–30 процентов. Самонесущая мембрана батареи из нановолокна PI, изготовленная компанией jiangxi xiancai co., Ltd. путем электростатического прядения вошла в экспериментальную стадию, которая имеет характеристики высокой безопасности, большого увеличения и длительного срока службы.

До сих пор отечественные и зарубежные исследования диафрагмы PI дали много результатов, но, помимо dupont, большая часть диафрагмы PI все еще находится на стадии лабораторных исследований, в дополнение к отсутствию производственного оборудования, связанного с диафрагмой литиевой батареи PI, стоимость материала высока, в результате чего на внутреннем рынке диафрагма литиевой батареи PI по-прежнему большой разрыв. Поэтому предприятиям, производящим полимерные материалы, необходимо найти способы снижения стоимости ПИ в методах синтеза и полимеризации мономеров. Предприятия по производству диафрагм и предприятия по переработке оборудования сотрудничают друг с другом, чтобы в кратчайшие сроки обеспечить промышленное производство диафрагмы для литиевых батарей PI.

Справка

1.Чжончан Сон, Мён-Хён Рё, Бонки Сон и др. Сепараторы из полиэтилена с сополимерным покрытием для повышенной термостойкости литий-ионных аккумуляторов. Electrochimica Acta, 2012, 85: 524-530.

2.Xingxing Liang, Ying Yang, Xin Jin et al. Электропряденый полиэфирный волокнистый сепаратор с покрытием из полиэтиленоксида для высокоэффективной литий-ионной батареи, Журнал материаловедения и технологий, 2015.

3. Цзянь Лю, Янбо Лю, Вэньсю Ян и др. Сепаратор литий-ионных аккумуляторов с высокими характеристиками и высокой безопасностью, обеспечиваемый трехслойной композитной мембраной из нановолокна SiO2 @ PI / m-PE / SiO2 @ PI. Журнал источников энергии, 2018, 396: 265-275.

4.Чуань Ши, Цзяньхуэй Дай, Сю Шен и др. Устойчивый к высоким температурам сепаратор с керамическим покрытием, изготовленный из связующего полиэфира / частиц Al2O3 для литий-ионных аккумуляторов. Журнал мембрановедения, 2016, 517: 91-99.

5.Лиюнь Цао, Пин Ань, Чжанвэй Сюй и др. Оценка эффективности электропряденых нетканых сепараторов из полиэфирного волокна для литий-ионных аккумуляторов большой мощности. Журнал электроаналитической химии, 2016, 767: 34-39.

6. Ин Ван, Сукинг Ван, Цзюньци Фанг и др. Сепаратор из нановолокна, модифицированного нанокремнеземом, с улучшенными тепловыми и смачивающими свойствами для литий-ионных аккумуляторов с повышенной безопасностью. Журнал мембрановедения, 2017, 537: 248-254.

7. Джаритпхун Шаяпат, Ок Хи Чунг, Джун Со Пак и др. Сепаратор из полиэфирного композита для литий-ионных аккумуляторов, Electrochimica Acta, 2015.

8. Хонг Чжан, Чунер Линь, Миньонг Чжоу и др. Полиэтиленовые сепараторы с высокой термостойкостью, полученные с помощью процесса разделения фаз, вызванного растворимым предшественником и не содержащим растворителей, для литий-ионных батарей, Electrochimica Acta, 2016, 187: 125-133.

9.Xuyao Hu, Yaowu Wang, Tao Cui et al. Приготовление микропористой мембраны PI для литий-ионных батарей, Advanced Materials Research, 2014, 834: 104-107.