鋰電池原理隔膜

鋰電池原理隔膜隔膜主要作用是將電池的陰極陽極（正負極）材料隔開，防止兩級接觸發(fā)生短路，此外在電化學反應時，能保持必要的電解液，形成離子移動的通道。（Li+可用通過隔膜在電解質中移動）。隔膜參數(shù)要求鋰電池的結構中，隔膜是鋰電池關鍵的內層組件之一。隔膜的性能決定了電池的界面結構、內阻等，直接影響電池的容量、循環(huán)以及安全性能等特性，性能優(yōu)異的隔膜對提高電池的綜合性能具有重要的作用。參數(shù) 需求化學和電化學穩(wěn)定性長期穩(wěn)定可濕性迅速完全濕透機械性能>1000kgcm-1(98.06MPa)厚度20-25Dm多孔性40—60%熱穩(wěn)定性在90℃下60分鐘后收縮5%安全性在高溫時有效地阻斷電池理想的電解質隔膜應該具有多孔結構，高的吸液率，較強的機械強度，薄的厚度，電化學性能穩(wěn)定，且能防止鋰枝晶的生長。此外，為了電池的安全，能在高溫時阻斷電池。隔膜分類現(xiàn)在市面上的隔膜可以分為以下四種:微孔膜改性微孔膜無紡布膜電解質膜微孔膜大部分微孔膜由聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）以及這兩種膜的復合膜如PE/PP和PP/PE/PP等制成。人們也研究出了新的原料，如聚4-甲基-1-戊烯，聚甲醛，PE-PP的復合，聚苯乙烯（PS）與PP的復合膜和聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）與PP的復合膜也用來制作微微孔膜由兩種方法制備：干法和濕法：干法工藝（dry）主要用于聚丙烯（PP）隔膜的制造。將聚烯烴樹脂熔融、擠壓、吹膜制成結晶性聚合物薄膜，經(jīng)過結晶化處理，退火后，得到高度取向的多層結構，在高溫下進一步拉伸，將結晶界面進行剝離，形成多孔結構。干法工藝主要分為單向拉伸工藝、雙向拉伸工藝。干法技術比濕法技術工藝簡單、設備成本較低、生產(chǎn)效率較低。干法單向拉伸工藝流程為：投料：將PE或PP及添加劑等原料按照配方預處理后，輸送至擠出系統(tǒng)。流延：將預處理的原料在擠出系統(tǒng)中，經(jīng)熔融塑化后從模頭擠出熔體，熔體經(jīng)流延后形成特定結晶結構的基膜。熱處理：將基膜經(jīng)熱處理后得到硬彈性薄膜。拉伸：將硬彈性薄膜進行冷拉伸和熱拉伸后形成納米微孔膜。分切：將納米微孔膜根據(jù)客戶的規(guī)格要求裁切為成品膜。干法單拉工藝雙向拉伸工藝由于PP的B晶型為六方晶系，單晶成核、晶片排列疏松，擁有沿徑向生長成發(fā)散式束狀的片晶結構的同時不具有完整的球晶結構，在熱和應力作用下會轉變?yōu)楦又旅芎头€(wěn)定的。晶，在吸收大量沖擊能后將會在材料內部產(chǎn)生孔洞。該工藝通過在PP中加入具有成核作用的B晶型改性劑，利用PP不同相態(tài)間密度的差異，在拉伸過程中發(fā)生晶型轉變形成微孔。干法雙拉工藝是中科院化學研究所開發(fā)的具有自主知識產(chǎn)權的工藝，也是中國特有的隔膜制造工藝干法雙向拉伸工藝流程為：投料：將PP及成孔劑等原料按照配方預處理后輸送至擠出系統(tǒng)。流延：得到B晶含量高、B晶形態(tài)均一性好的pp流延鑄片。縱向拉伸：在一定溫度下對鑄片進行縱向拉伸，利用B晶受拉伸應力易成孔的特性來致孔。橫向拉伸：在較高的溫度下對樣品進行橫向拉伸以擴孔，同時提高孔隙尺寸分布的均勻性。工藝方式單向拉伸雙向拉伸工藝原理鏡片拉伸晶型轉換方法特點設備復雜，精度要求高，投資大，工藝復雜，控制難度高，環(huán)境友好設備復雜，投資較大，一般需要成孔劑等添加輔助成孔，加入B晶型改進劑產(chǎn)品特點微孔尺寸、分布均勻、微孔導透性好、產(chǎn)品橫行熱收縮差、能夠生產(chǎn)出不同厚度的產(chǎn)品、能夠生產(chǎn)PP/PE產(chǎn)品和三層復合產(chǎn)品微孔尺寸、分布均勻、透氣性更好，穩(wěn)定性差?，F(xiàn)在只能生產(chǎn)出較厚規(guī)格的PP膜濕法工藝主要用于聚乙烯（PE）隔膜的制造。由于工藝中需要使用石蠟油與PE混合占位造孔，濕法技術涉及在2個方向上對薄膜的拉伸，因此又分為同步拉伸（simultaneousstretch）和分步拉伸濕法工藝（Wet）主要用于單層聚乙烯（PE）隔膜的制造。是利用熱致相分離的原理，將增塑劑（高沸點的烴類液體或一些分子量相對較低的物質）與聚烯烴樹脂混合，利用熔融混合物降溫過程中發(fā)生固-液相或液-液相分離的現(xiàn)象，壓制膜片，加熱至接近熔點溫度后拉伸使分子鏈取向一致，保溫一定時間后用易揮發(fā)溶劑（例如二氯甲烷和三氯乙烯）將增塑劑從薄膜中萃取出來，進而制得的相互貫通的亞微米尺寸微孔膜材料。根據(jù)拉伸時取向是否同時，濕法工藝也可以分為濕法雙向異步拉伸工藝以及雙向同步拉伸工藝兩種。濕法異步拉伸工藝流程為：投料：將PE、成孔劑等原料按照配方進行預處理輸送至擠出系統(tǒng)。流延：將預處理的原料在雙螺桿擠出系統(tǒng)中經(jīng)熔融塑化后從模頭擠出熔體，熔體經(jīng)流延后形成含成孔劑的流延厚片?？v向拉伸：將流延厚片進行縱向拉伸。橫向拉伸：將經(jīng)縱向拉伸后的流延厚片橫向拉伸，得到含成孔劑的基膜。萃?。簩⒒そ?jīng)溶劑萃取后形成不含成孔劑的基膜。定型：將不含成孔劑的基膜經(jīng)干燥、定型得到納米微孔膜。分切：將納米微孔膜根據(jù)客戶的規(guī)格要求裁切為成品膜。匚藝流濕法異步拉伸分切：將納米微孔膜根據(jù)客戶的規(guī)格要求裁切為成品膜。匚藝流濕法異步拉伸濕法同步拉伸技術工藝流程與異步拉伸技術基本相同，只是拉伸時可在橫、縱兩個方向同時取向，免除了單獨進行縱向拉伸的過程，增強了隔膜厚度均勻性。但同步拉伸存在的問題第一是車速慢，第二是可調性略差，只有橫向拉伸比可調，縱向拉伸比則是固定的。關于同步拉伸和分步拉伸哪個更先進的爭論一直存在。爭議體現(xiàn)在產(chǎn)品品質、效率、工藝適應性等方面。從產(chǎn)品的微觀形態(tài)比較，用同步拉伸工藝制造的隔膜孔隙率更高、孔隙分布更均勻，厚薄均勻性較好；同時，同步拉伸的產(chǎn)品強度均勻，良率較高，理論上其綜合性能較好。如果從生產(chǎn)效率、鋰電池工藝適應性等方面比較，暫無法給出優(yōu)劣的判斷。不同的只是不同企業(yè)設備水平的差異和工藝成熟度的差異。從用戶反饋上看，2種產(chǎn)品在使用中表現(xiàn)的差異并不明顯。隔膜產(chǎn)品的性能受基體材料和制作工藝共同影響。隔膜的穩(wěn)定性、一致性、安全性對于鋰電池的放電倍率、能量密度、循環(huán)壽命、安全性有著決定性影響。相比于干法隔膜，濕法隔膜在厚度均勻性、力學性能（拉伸強度、抗穿刺強度）、透氣性能、理化性能（潤濕性、化學穩(wěn)定性、安全性）等材料性質方面均更為優(yōu)良，有利于電解液的吸液保液并改善電池的充放電及循環(huán)能力，適合做高容量電池。從產(chǎn)品力的角度來說濕法隔膜綜合性能強于干法隔膜。濕法隔膜同樣存在缺點，除因受限于基體材料導致熱穩(wěn)定性較差外多為非產(chǎn)品因素，如需要大量的溶劑，易造成環(huán)境污染；與干法工藝相比設備復雜、投資較大、周期長、成本高、能耗大、生產(chǎn)難度大、生產(chǎn)效率較低等。在濕法隔膜中，雙向同步拉伸技術可在橫、縱兩個方向同時取向，免除了單獨進行縱向拉伸的過程，增強了隔膜厚度均勻性，產(chǎn)品透明度高、無劃傷、光學性能及表面性能優(yōu)異，是綜合性能最好的隔膜，在隔膜高端市場中占據(jù)著重要的地位，也是現(xiàn)階段市場表現(xiàn)最好的鋰電池隔膜。比較方法干法工藝濕法工藝工序簡單復雜固定資產(chǎn)相對低相對高工藝控制難度高難度低單層膜可以可以單層膜可以不可以PP材料可以使用不可以使用PE材料可以使用可以使用原料特性流動性好、分子量低不流動、分子量高適用范圍小功率、低容量電池大功率、高容量電池安全性低高熱關閉溫度低（135℃）高（180℃）熱收縮性高比較低孔徑比較大納米級環(huán)境友好污染干法制得的膜具有大的通孔結構，常用于高倍率電池；而通過濕法制備的膜，因具有相互關聯(lián)的孔和曲折的結構，有利于防止充放