鋰離子電池隔膜基礎(chǔ)知識培訓(xùn)手冊

鋰離子電池隔膜基礎(chǔ)知識培訓(xùn)手冊(一)鋰離子電池隔膜基礎(chǔ)知識鋰離子電池隔膜是一種具有納米級微孔的高分子功能材料，隨著鋰離子電池的廣泛使用而走進(jìn)人們的生活。可充電鋰離子二次電池具有高比能量、長循環(huán)壽命、無記憶效應(yīng)的特性，又具有安全、可靠且能快速充放電等優(yōu)點，因而成為近年來新型電源技術(shù)研究的熱點。由于鋰離子電池是綠色環(huán)保型無污染的二次電池，符合當(dāng)今各國能源環(huán)保方面大的發(fā)用。隔膜的性能決定了電池的界面結(jié)構(gòu)、電解質(zhì)的保持性和電池的內(nèi)阻等，進(jìn)而影響電池的容量、循環(huán)性能、充放電電流密度等關(guān)鍵特性，所以，隔膜性能的優(yōu)劣直接影響了電在我國，鋰離子電池原材料已基本實現(xiàn)了國產(chǎn)化，但是隔膜材料卻主要依靠進(jìn)口，一些制作隔膜的關(guān)鍵技術(shù)被日本和歐美壟斷。最近幾年，隔膜在我國已有生產(chǎn)，各項指標(biāo)也接近或達(dá)到了國外產(chǎn)品的水平。(二)電池隔膜的分類制造隔膜的材料有天然或合成的高分子材料、無機材料等。根據(jù)原材料特點和加工方法不同，可將隔膜分成有機材料隔膜、編制隔膜、氈狀膜、隔膜紙和陶瓷隔膜等。電池用隔膜與微孔膜兩大類。半透膜的孔徑一般小于1nm，而微孔膜(三)鋰離子電池隔膜的功能及機理外部回路在正負(fù)電極之間遷(四)鋰離子電池隔膜的主要用途GPS電池、電動車和儲能裝置電池等。(一)聚烯烴隔膜分類法按工藝分類按結(jié)構(gòu)分類PPPE法PP/PE/PP(二)聚烯烴隔膜的主要原料隔膜使用的聚烯烴材料目前主要是聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)兩類。聚烯烴材料具有多領(lǐng)聚烯烴隔膜，因為聚穩(wěn)定性，而且具有高溫自(三)聚烯烴隔膜的主要生產(chǎn)方法1、熱致相分離法(濕法—TIPS)后，將溶劑萃取后在聚合物相2、熔融拉伸法(干法—MSCS)熔融拉伸法的制備原理是，高聚物熔體擠出時在拉伸應(yīng)力作用冷卻下結(jié)晶，形成平行排列的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，經(jīng)過熱處理后的薄膜在拉伸后晶體之間分離而形成狹縫狀微孔，再經(jīng)過熱定在聚丙烯微孔膜制備中除了拉開片晶結(jié)構(gòu)外，還可以通過在聚合物中添加結(jié)晶成核劑，形成特定的β晶型，然后在雙向拉伸過程中發(fā)生β晶型向α晶型轉(zhuǎn)變，晶體體積收縮產(chǎn)生方法不同生產(chǎn)方法的隔膜特點方單向拉伸式理設(shè)備簡單，投資方法特雜、成本高、環(huán)點境友好雙向拉伸配方控制難低雙向拉伸相分離設(shè)備復(fù)雜、投資較大、周期復(fù)染微孔尺寸小、分微孔尺寸孔徑分布寬，布均勻，微孔導(dǎo)大、分布不穿刺強度高；(四)聚烯烴隔膜的結(jié)構(gòu)及特點結(jié)構(gòu)單層、雙層單層、雙層三層材料PPPEPP/PE/PP生產(chǎn)方干法干法、濕法干法法溫閉孔(130℃圍動力電池性能參數(shù)和使用要求(一)隔膜的基本性能表征孔隙率是孔的體積和隔膜體積的比值，即單位膜的體積中孔所占的體積百分比。它與原材料樹脂以及最終制品的密度有關(guān)，大多數(shù)鋰離子電池隔膜的孔隙率在35%~60%之間。孔隙率與隔膜的透過能力有一定關(guān)系，但孔隙率大并不代表隔膜的透過性好，因為透過性取決于微孔的導(dǎo)通率和孔徑大小。另外，對于一定的電解質(zhì)，具有高孔隙率的隔膜可以降的體積量一般為100ml，有些公司也會標(biāo)透氣度是由膜的孔徑大小、孔徑分布、孔隙率和開孔率等決定的，透氣率從一定意義上來講，和用此隔膜裝配的電池的內(nèi)阻成正比，即該數(shù)值越大，則內(nèi)阻越大。然而，對于不同類型、厚度的隔膜，該數(shù)字的直接比較沒有任何意義。因為鋰離子電池中的內(nèi)阻和離子傳導(dǎo)有關(guān)，而透氣率和氣體傳導(dǎo)有關(guān)，兩種機理是不一樣的。換句話說，單純比較兩種不同隔膜的Gurley數(shù)是沒有意義的，因為可能兩種隔膜的微觀結(jié)構(gòu)完全不一樣；但同一種ey膜材料與電解液的浸潤性能影響，還受隔膜的孔隙率、開孔率、孔徑的影響。吸液率測試方法是把干式樣稱重后浸泡在電解液中，直至吸收平衡，再取出濕隔膜擦干表位積吸收電解液的重量。一般隔膜的孔徑在納米級，雙拉方式生產(chǎn)的隔膜的孔接近圓形，干法隔膜的孔為長條形?？讖降拇笮∨c隔膜的透過能力有關(guān)，過小的孔徑會抑制鋰離子通過，過大的孔徑有可能導(dǎo)致隔膜穿孔形成電池微短路導(dǎo)致電池自放電過快?？椎姆植疾痪鶆蛴锌赡軐?dǎo)致電池內(nèi)部電度不一致，長期使用中鋰離子可能沉積形成枝晶狀刺穿隔膜。法圍徑孔徑均勻，孔較法0~40020小0~孔徑不均勻，分法0~孔徑較均勻，分法200~250布寬電池對隔膜機械強度的要求較高。電池中的隔膜直接接觸有硬表面的正極和負(fù)極，度和斷裂伸長率也有一定要求。單軸拉伸的隔膜在拉伸方向與垂直拉伸方向強度不同，而沒有性能上的優(yōu)勢。因為電池卷繞的受力方向是縱向；橫向拉伸會導(dǎo)致垂直方向的收縮，相互接觸。一般而言孔隙率、透氣性較高時，盡管其膜在一定方向上、通過拉伸夾具以一定的試驗速度拉，斷裂時伸長量與原長的比值于短法。隔膜的閉孔溫度和破膜溫度是該性能的主要參通過，但熱慣性會使溫度進(jìn)一步上升，有可能達(dá)到破膜溫度好。孔溫PPPEPE膜溫度在熱收縮率反映隔膜在受熱時的尺寸穩(wěn)定性。除了隔膜需要在電池使用的溫度范圍內(nèi)(-20~60℃)保持尺寸穩(wěn)定外，還有一個就是在電池生產(chǎn)過程中由于電解液對水份非常敏行85~90℃的長時間烘烤，所以要求在這個溫度下隔膜的尺膜收縮過大，極片外露造成短路；另外在電電態(tài)下測試得到。對于卷繞形式的電芯來說，由于縱向有生(二)鋰離子電池對隔膜的要求卷卷繞疊片卷繞疊片；方形、圓形性形性隔膜單片使用，要求易分開(一)動力用鋰離子電池隔膜最近幾年，隨著環(huán)保和能源問題的日益突出，國內(nèi)外對電動汽車的研究也越來越受到重視。與鉛酸、鎳氫蓄電池相比，鋰離子動力電池具有電壓高、能量密度大、充放電速度、使用壽命長、無記憶效應(yīng)、無污染等優(yōu)勢，可以代替燃油系統(tǒng)及傳統(tǒng)鉛酸、鎳鎘電池，提升能源利用效率，減少空氣和鉛、鉻等重金屬污染。作為一種無污染儲能裝置，鋰離子動力電池是發(fā)展新型可再生能源產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)；作為動力設(shè)備的驅(qū)動能源，它基本可以達(dá)到零排放的要求，是當(dāng)代最有前景的綠色電源。鋰離子電動電池可廣泛應(yīng)用于車輛船艦、通信電新興的大型鋰離子動力電池廠家都在尋求與自己生產(chǎn)工藝相匹配的優(yōu)質(zhì)隔膜，以應(yīng)用在混合動力車以及純電動汽車等大型且相對功率較高的電源中。由于大型動力交通工具所用電大型動力電池通常是由多個較小的電池通過串聯(lián)、并聯(lián)的方式獲得較高的電壓、電流和功能質(zhì)量的好壞對大型車用電池電化學(xué)性能表現(xiàn)方面的影響更加突出。根據(jù)動力電池的要求，首先，隔膜必須有較好的厚度均勻性，孔的分布均勻性，孔徑分布均勻才能保證電芯在較大幅寬范圍充放電電流密度一致；其次，隔膜要具有較高的孔隙率和較大的孔徑，能夠吸收和保持更多的電解液，較小的孔徑曲折度會減小對鋰離子通過的抑制，降低電池的內(nèi)阻，才能適應(yīng)動力電池實現(xiàn)快速充放電的要求，支持動力電池在使用過程中實現(xiàn)大電這樣才能使高溫時放電倍率不至于下降太嚴(yán)重。從隔膜材料的角度來看，PP隔膜比較適電，PP隔膜的高溫穩(wěn)定性使得其在高溫環(huán)境時放電效率仍能夠保持較高的水平。另外考(二)鋰離子電池隔膜的發(fā)展趨勢鋰離子電池隔膜的發(fā)展是隨著鋰離子電池的需求不斷變化而不斷發(fā)展的，從體積上看，鋰離子電池正在朝著小和大兩個截然不同的方向發(fā)展。在一些如手機、數(shù)碼相機等電子產(chǎn)品上，為了迎合美觀、便于攜帶的需求，電池廠將電池的電芯做得非常小巧。為了追求高的能量密度，在狹小的體積中能容納下更多的電極材料，電池廠家希望隔膜的厚度越薄越好，現(xiàn)在很多廠家要求提供20μm甚至16μm厚的隔膜。體積更小是對隔膜的一個挑戰(zhàn)，因與此相反，在電動自行車、電動汽車及電動工具等所使用的動力電池方面，為了獲得高的容量、提供大的功率，通常一個電池需要使用幾十甚至上百個電芯進(jìn)行串接。由于鋰電池具有潛在的爆炸危險，隔膜的安全性相當(dāng)重要，現(xiàn)在市場上對厚度較厚的聚丙烯隔膜的需益增加。由于聚乙烯、聚丙烯等聚烯烴非極性材料制成的隔膜具有低的表面性能，在鋰離子電池使用的極性碳酸酯類電解液中雖能很好的浸潤，但由于吸液性能并不太好，離子電導(dǎo)率低。材料的表面性能可以通過表面處理進(jìn)行改善，離子輻照、表面等離子體處理以及紫外光照射接枝等方法已經(jīng)是非常成熟的表面處理方法。對聚烯烴隔膜進(jìn)行表面處理，提高隔膜的鋰離子電池的安全性是人們關(guān)注的一個重點，隔膜的耐熱性能就成了制約鋰離子電池發(fā)展的一個重要因素。開發(fā)高耐熱性能的隔膜也是一個發(fā)展方向，但無論聚乙烯、聚丙烯還是其它熱塑性高分子材料，在接近熔點時材料均會因融化而收縮變形，給二次鋰離子電池的安全性能帶來潛在隱患。無機物如氧化鋁、氧化鋯等在100~300℃的范圍內(nèi)非常穩(wěn)定，且市場化。德國的Degussa公司結(jié)合有機物的柔性和無機物良好熱面復(fù)合無機陶瓷氧化物涂層的方法，制備出了有機底電池隔膜。在電池充放電過程中，即使有機底膜發(fā)生熔化，無膜的完整性，防止大面積正/負(fù)極短路現(xiàn)象的出現(xiàn)，這種有機/無機的解決方案，將是未來鋰離子電池的泄爆炸隱患，近年使電解液與具有離子潤形成凝膠的全固態(tài)凝膠聚合物鋰離子電池開始出現(xiàn)。全固態(tài)電解質(zhì)，要求隔膜具有很好的吸液性能，出現(xiàn)了以偏氟乙烯報道。同時在以聚烯烴隔膜材料為基體，涂覆PVDF、PEO等材固。)隔膜知識問與答答：孔隙率是指單位體積中隔膜中微孔所占的百分比，通常是通過測定隔膜的表觀密度與原材料密度的比值得到的。由于隔膜的厚度比較難準(zhǔn)確測到，所以計算出來的孔隙率會有法隔膜的孔隙率一般在35-50%，濕法隔膜的孔隙率在40-60%。透氣率是指過氣體的能力，通常用Gurley數(shù)表示。常用的標(biāo)準(zhǔn)檢測設(shè)備為l比較的。但在同一類產(chǎn)品中，一般情況下孔常高因為透氣度除了與孔隙率有關(guān)外，還與隔膜的開孔率和孔徑的大情況下，隨著孔隙率的增加，單位，此時隔膜的透氣率可能會增大(要視開孔率和孔徑的大小而，但也只能在一定程度上保障電池的安全性，因為它畢基本性能參數(shù)上沒有太大區(qū)別，主要是對電池的電性能和(1)多層復(fù)合隔膜彌補了單層隔膜在