鋰電池隔膜生產(chǎn)工藝全套

鋰電池隔膜生產(chǎn)工藝鋰離子電池是現(xiàn)代高性能電池的代表，由正極材料、負極材料、隔膜、電解液四個主要部分組成。其中，隔膜是一種具有微孔結(jié)構(gòu)的薄膜，是鋰離子電池產(chǎn)業(yè)鏈中更具技術(shù)壁壘的關鍵內(nèi)層組件，在鋰電池中起到如下兩個主要作用：a、隔開鋰電池的正、負極，防止正、負極接觸形成短路；b、薄膜中的微孔能夠讓鋰離子通過，形成充放電回路。鋰電池的成本構(gòu)成高性能鋰電池需要隔膜具有厚度均勻性以及優(yōu)良的力學性能（包括拉伸強度和抗穿刺強度）、透氣性能、理化性能（包括潤濕性、化學穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性、安全性）。據(jù)了解，隔膜的優(yōu)異與否直接影響鋰電池的容量、循環(huán)能力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。鋰電池隔膜具有的諸多特性以及其性能指標的難以兼顧決定了其生產(chǎn)工藝技術(shù)壁壘高、研發(fā)難度大。隔膜生產(chǎn)工藝包括原材料配方和快速配方調(diào)整、微孔制備技術(shù)、成套設備自主設計等諸多工藝。其中，微孔制備技術(shù)是鋰電池隔膜制備工藝的核心隔膜，根據(jù)微孔成孔機理的區(qū)別可以將隔膜工藝分為干法與濕法兩種。干法隔膜按照拉伸取向分為單拉和雙拉干法隔膜工藝是隔膜制備過程中最常采用的方法，該工藝是將高分子聚合物、添加劑等原料混合形成均勻熔體，擠出時在拉伸應力下形成片晶結(jié)構(gòu)，熱處理片晶結(jié)構(gòu)獲得硬彈性的聚合物薄膜，之后在一定的溫度下拉伸形成狹縫狀微孔，熱定型后制得微孔膜。目前干法工藝主要包括干法單向拉伸和雙向拉伸兩種工藝。干法單拉干法單拉是使用流動性好、分子量低的聚乙烯（PE）或聚丙烯（PP）聚合物，利用硬彈性纖維的制造原理，先制備出高取向度、低結(jié)晶的聚烯烴鑄片，低溫拉伸形成銀紋等微缺陷后，采用高溫退火使缺陷拉開，進而獲得孔徑均一、單軸取向的微孔薄膜。干法單拉工藝流程為：1）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)。2）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隔膜，熔體經(jīng)流延后形成特定結(jié)晶結(jié)構(gòu)的基膜。3）熱處理：將基膜經(jīng)熱處理后得到硬彈性薄膜。4）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。5）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(quán)的工藝，也是中國特有的隔膜制造工藝。由于PP的β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(jié)構(gòu)的同時不具有完整的球晶結(jié)構(gòu)，在熱和應力作用下會轉(zhuǎn)變?yōu)楦又旅芎头€(wěn)定的α晶，在吸收大量沖擊能后將會在材料內(nèi)部產(chǎn)生孔洞。該工藝通過在PP中加入具有成核作用的β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(zhuǎn)變形成微孔。干法雙拉工藝流程為：1）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)。2）流延：得到β晶含量高、β晶形態(tài)均一性好的PP流延鑄片。3）縱向拉伸：在一定溫度下對鑄片進行縱向拉伸，利用β晶受拉伸應力易成孔的特性來致孔。4）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。5）定型收卷：通過在高溫下對隔膜進行熱處理，降低其熱收縮率，提高尺寸穩(wěn)定性。濕法隔膜按照拉伸取向是否同時分為異步和同步濕法工藝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(zhì)）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。濕法工藝適合生產(chǎn)較薄的單層PE隔膜，是一種隔膜產(chǎn)品厚度均勻性更好、理化性能及力學性能更好的制備工藝。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：1）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)。2）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。3）縱向拉伸：將流延厚片進行縱向拉伸。4）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。5）萃取：將基膜經(jīng)溶劑萃取后形成不含成孔劑的基膜。6）定型：將不含成孔劑的基膜經(jīng)干燥、定型得到納米微孔膜。7）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。濕法異步拉伸工藝濕法同步拉伸技術(shù)工藝流程與異步拉伸技術(shù)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是車速慢，第二是可調(diào)性略差，只有橫向拉伸比可調(diào)，縱向拉伸比則是固定的。濕法同步拉伸工藝濕法涂覆是鋰電池隔膜發(fā)展方向濕法隔膜整體性能優(yōu)于干法隔膜隔膜產(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(zhì)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。隨著當前新能源電動車和大型儲能系統(tǒng)等大功率設備的迅猛發(fā)展，大容量高比能動力及儲能鋰離子電池在近些年來更是呈現(xiàn)出了井噴式的發(fā)展。然而，近些年來新能源電動車自燃及爆炸事件頻發(fā)，引起了人們對動力鋰離子電池安全性的高度關注和質(zhì)疑。其中，最核心的原因之一是現(xiàn)有鋰電池隔膜的性能無法滿足高比能電池的應用要求。動力鋰電池需要更高的安全性能、更大的容量、長時間穩(wěn)定輸出的均一性能以及大倍率充放電性能。高安全性鋰電池隔膜隔膜在鋰離子電池中主要起著2個作用，一是隔膜材料需要具備良好的絕緣性與一定的強度，在電池內(nèi)能夠避免正負極的直接接觸，并且可以有效防止被毛刺、枝晶等刺穿而發(fā)生短路，以及保證在突發(fā)的高溫條件下不發(fā)生大幅度尺寸變化，從而保證電池的安全。二是隔膜存在的多孔結(jié)構(gòu)可以為鋰離子提供良好的遷移通道，保障電池穩(wěn)定高效地運行。隔膜的遷移通道作用示意圖隔膜作為鋰離子電池的“第三電極”，是保證電池體系安全和影響電池性能的關鍵材料，需要具有較高強度、耐熱性、阻燃性、高孔隙率、均勻性及良好浸潤性等特性。目前，鋰離子電池隔膜大多采用的是以聚丙烯(PP)和聚乙烯(PE)為基體的聚烯烴微孔膜，其較低的熔點(PP為165℃、PE為135℃)和軟化溫度使電池易發(fā)生因隔膜熔縮導致的熱失控，尤其是在過充過放和大功率充放電的情況下會引起電池起火或爆炸。聚烯烴隔膜此外，PP和PE為非極性高分子，電解液浸潤性較差，進而導致電池內(nèi)阻較大，加之其孔隙率較低(約40%)而帶來的低離子電導率，因而會嚴重限制電池的大倍率性能，難以滿足電池大電流快速充放電的需要。盡管以傳統(tǒng)聚烯烴隔膜為基礎進行改性可以改善隔膜的耐熱型浸潤性，但無法解決隔膜當前面臨的問題，也無法滿足高性能隔膜的市場需求。為了提高鋰電池的安全性并滿足市場需求，研制新一代的高性能聚合物隔膜是當前亟待解決的難題。隨著科技的不斷進步，耐熱型聚合物隔膜的研究也得到進一步的進展，本文總結(jié)歸納了不同種類耐熱型隔膜并對其性能進行了介紹，也對未來耐熱型高性能隔膜的發(fā)展進行了展望。01耐熱型隔膜性能鋰離子電池隔膜的性能對電池體系安全和電化學性能提升至關重要，應當滿足以下要求：(1)適宜的厚度與優(yōu)異的尺寸穩(wěn)定性，通常鋰離子電池隔膜的厚度為20~25μm，隔膜厚度與尺寸穩(wěn)定性密切相關，應綜合考慮。(2)孔隙率高且孔隙均一，隔膜的孔徑應大于鋰離子的直徑，小于活性物質(zhì)的直徑，高孔隙率能更有效地促進隔膜對電解液的吸收與滲透，提高離子的電導率。(3)優(yōu)異的力學性能可以保證電池的安全，防止鋰枝晶刺穿隔膜造成電池短路。(4)良好的潤濕性可以降低界面電阻，電解液在隔膜內(nèi)的擴散時間、吸附程度或電解液與隔膜的接觸角都反映了隔膜的潤濕性。(5)優(yōu)異的化學穩(wěn)定性，隔膜與電極材料不能發(fā)生反應，可以在電解液中穩(wěn)定存在并有效地阻隔正負極，保證鋰電池正常高效運行。(6)優(yōu)良的耐熱與阻燃性能，鋰電池在長期使用或極端溫度下可能會出現(xiàn)熱失控，優(yōu)異的耐熱與阻燃性能可以防止進一步惡化并起到滅火作用。02耐熱型聚合物隔膜目前，耐熱型隔膜的聚合物包括PEEK、PET、聚酰胺、PVDF、PI等[16，26]，上述材料均具備優(yōu)異的力學性能、熱穩(wěn)定性及化學穩(wěn)定性，并且都可以通過靜電紡絲制備隔膜保證其高孔隙率，可作為高性能隔膜的候選材料。2.1PEEK隔膜PEEK是一種耐熱性和化學穩(wěn)定性優(yōu)異的芳香族聚合物，同時PEEK聚合物中的極性氧原子和碳氧雙鍵與碳酸鹽電解質(zhì)具有很強的相互作用，可以保證隔膜具備優(yōu)異的潤濕性。PEEK薄膜Li等運用相轉(zhuǎn)化法研制了一種海綿狀多孔PEEK隔膜，該膜具有良好的熱穩(wěn)定性和高的孔隙率(78%)，隔膜高孔隙率和對電解液優(yōu)異的浸潤性保證了隔膜高吸液率(251%)，隔膜良好的浸潤性有利于鋰離子的傳輸，獲得較高的離子電導率，提高鋰電池的速率性能，其在5C下電池表現(xiàn)出優(yōu)異的放電容量(124.1mAh/g)。此外，Li等以制備的氟化PEEK為原料配置紡絲液，通過靜電紡絲制備出的納米纖維隔膜具有很高的孔隙率(88%)，三氟甲基的存在增加了極性基團的占比，使隔膜表現(xiàn)出優(yōu)異的吸液率(559%)和良好的浸潤性，降低了電池的內(nèi)阻，極大地提高了隔膜的離子電導率(3.12Ms/cm)，并且隔膜也具備較高的力學性能(27.7MPa)與良好的熱穩(wěn)定性，增強了電池的安全性。2.2PET隔膜PET具備良好的力學性能、優(yōu)異的熱穩(wěn)定性以及良好的電絕緣性。在其制備的隔膜上涂覆無機納米顆粒，可進一步增強隔膜的耐熱性、浸潤性等綜合性能。PET薄膜如Xie等利用浸涂法在PET隔膜上涂覆上SiO2與Al2O3兩種無機材料形成均勻的陶瓷涂層，使隔膜具備特殊的孔隙結(jié)構(gòu)與較高的孔隙率，并且2種無機納米顆粒均與電解液良好的親和性改善了隔膜的浸潤性，進而提高了隔膜的離子電導率，該隔膜在100次循環(huán)后容量保持率(93.9%)也十分優(yōu)異，在10C電流下依舊保持著高容量(82.7mAh/g)。此外，Hao等通過靜電紡絲制備出的PET納米纖維隔膜具有較高的拉伸強度(12MPa)、良好的伸長率和優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，以靜電紡絲制備的該隔膜具備高孔隙率(89%)且具備高的吸液率(484%)，可以促進鋰離子高效穩(wěn)定遷移，提高離子電導率，使得PET隔膜組裝的電池比Celgard隔膜組裝的電池具有更好的電化學穩(wěn)定性和更高的放電容量，電池可以更加高效穩(wěn)定地運行。2.3間位芳綸(PMIA)隔膜PMIA的分子主鏈由芳香環(huán)和酰胺基團組成，其分子之間具有極強的氫鍵網(wǎng)絡，是一種高耐熱、高阻燃、高力學強度、高電絕緣性的高性能材料。PMIA隔膜多采用靜電紡絲進行制備，靜電紡絲法可以提高PMIA隔膜的比表面積，提高了材料的適用性，并且在納米纖維隔膜中加入無機顆粒可以進一步增強隔膜耐熱性。間位芳綸紙Jeon等用靜電紡絲法制備出間位芳綸納米纖維膜，再通過將Al2O3顆粒涂覆在納米纖維膜上制得隔膜，使得隔膜具備了更加良好的熱穩(wěn)定性及化學穩(wěn)定性，同時Al2O3具備高介電常數(shù)且與極性電解液具備良好浸潤性，可以降低電荷轉(zhuǎn)移電阻，提高了電池的放電容量與循環(huán)穩(wěn)定性，并且在1C倍率下存在較放電容量(232mAh/g)。此外，Xiao等也利用靜電紡絲制備了PMIA及PMIA-(聚氨酯)PU納米纖維膜，以靜電紡絲制備的PMIA-PU納米纖維膜作為隔膜有著高孔隙率，并且PMIA與PU分子結(jié)構(gòu)中的羰基基團與電解液有著更高的相容性，協(xié)同使隔膜具備極高的吸液率(最大為843.52%)，從而增強了隔膜的離子電導率，同時該隔膜也具備較強的力學性能與熱穩(wěn)定性。2.4聚苯撐苯并二噁唑(PBO)隔膜PBO是一種由芳雜環(huán)與苯環(huán)組成的鏈狀芳香族聚合物，具有優(yōu)異的力學性能、熱穩(wěn)定性、尺寸穩(wěn)定性及化學穩(wěn)定性。Lee等通過再沉積法制備出羥基共聚酰亞胺(HPI)納米顆粒涂覆在靜電紡絲制備的HPI納米纖維膜上，再經(jīng)熱重排最終制得復合隔膜，探究了隔膜上顆粒形狀對隔膜性能的影響，該隔膜在490℃表現(xiàn)出優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，隔膜良好的浸潤性可提高離子傳輸效率，并且由于海鞘狀結(jié)構(gòu)的納米顆粒在高溫下比球狀結(jié)構(gòu)的納米顆粒具有更好的電化學性能，因而TR-PBO納米復合膜組裝的電池表現(xiàn)出優(yōu)異的高功率密度性能。Hao等將Zylon超細纖維(PBO纖維)剝離為直徑為2~10nm的PBO超細纖維，再經(jīng)編織得到PBO微孔隔膜，其孔徑在5~25nm之間，PBO纖維的高強度和納米纖維之間相互作用賦予隔膜較高的力學性能(彈性模量為20GPa、極限強度為525MPa)，并且隔膜在600℃以下可長期使用，能夠有效改善電池的安全性能。2.5PVDF隔膜PVDF等氟系聚合物因具有良好的化學、電化學穩(wěn)定性，且其存在的β晶相有利于提升隔膜與電解液的親和性，可以作為鋰電隔膜的候選材料。PVDF隔膜Wu等通過熱致相分離法(TIPS)制備了PVDF/PAN共混多孔膜，PAN通常比PVDF具有更高的韌性與強度，PAN的加入使得隔膜的熱穩(wěn)定性(300℃下保持穩(wěn)定)與拉伸強度有大幅提升，與商用的Celgard2400隔膜相比，該隔膜組裝電池后具有更高的離子傳輸效率以及良好的循環(huán)性能，但PAN的加入會使隔膜的孔徑尺寸和孔隙率下降，從而降低隔膜的離子電導率，影響電化學性能，可根據(jù)不同的需求調(diào)整。Widiyandari等運用靜電紡絲制備了PVDF納米纖維膜并浸漬在SiO2溶膠中制備了PVDF/SiO2復合隔膜，SiO2的加入改善了隔膜孔隙率、熱穩(wěn)定性、力學強度，且SiO2與電解液具有良好的親和性，可進一步提升隔膜的浸潤性，相比于純PVDF隔膜，經(jīng)過6次循環(huán)后添加SiO2的PVDF隔膜組裝的電池容量得到了明顯提升。2.6聚苯并咪唑(PBI)隔膜PBI是一種具備優(yōu)異力學性能、耐熱性能的芳雜環(huán)聚合物，其在400℃以上仍能保持良好的力學性能和電性能，并且PBI分子中的極性氮原子與電解質(zhì)呈正相容性，使隔膜具備更好的浸潤性。PBILiu等通過靜電紡絲法制備了聚芳醚苯并咪唑(OPBI)納米纖維隔膜，其表現(xiàn)出優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，其在200℃下隔膜無尺寸收縮且在550℃下開始降解，OPBI中存在豐富的氮原子和極性醚鍵賦予了隔膜良好的浸潤性，使得鋰離子更容易進行遷移，降低了電池電阻，提高了電池性能。此外，Sun等通過濕法造孔制備了PBI微孔膜，其在300℃沒有任何尺寸變化，且在空氣中聚合物的骨架穩(wěn)定性可以保持在545℃，在點火測試中也體現(xiàn)出極好的阻燃自熄性，PBI與電解液酯鍵之間的相互作用可以增加隔膜與電解液的相容性，從而提高隔膜的浸潤性，進而能增強電池的電化學性能，電池性能測試顯示在0.1C下的PBI微孔膜組裝的電池放電容量高達157.1mAh/g，而在5C下的放電容量保持率為84%。PBI優(yōu)異阻燃性、浸潤性、耐熱性都證明其可作為鋰電池隔膜的候選材料。2.7聚苯硫醚(PPS)隔膜PPS是一種具備超強耐熱性、耐化學穩(wěn)定性的特種工程塑料，其分解溫度約為450℃，在200℃內(nèi)可長期使用，同時其能耐絕大多數(shù)溶劑腐蝕。PPS薄膜為了解決PPS無紡布存在著孔徑大且分布不均這一問題，Chen等將PVDF與納米SiO2均勻涂覆于PPS無紡布表面制備成復合隔膜，涂覆物均勻地覆蓋于PPS無紡布的表面后，復合隔膜形成了較為彎曲的三維多孔結(jié)構(gòu)，可以促進隔膜吸收和儲存較多的電解液，研究表明隔膜具有較高孔隙率(55.7%)、較高的浸潤能力以及在250℃下熱尺寸穩(wěn)定性優(yōu)異，在經(jīng)過100次循環(huán)后容量保持率(66.34%)高于商業(yè)隔膜(61.03%)。此外，Kim等通過等離子輔助機械化學(MP)處理使SiO2均勻分散在PPS基體中，再經(jīng)過HF酸溶液刻蝕去除SiO2制備出PPS多孔膜，該多孔膜擁有均一的孔徑、良好的孔隙結(jié)構(gòu)并且其表面具備孔結(jié)構(gòu)，使得制得的隔膜孔隙率高、浸潤性良好、力學性能與熱穩(wěn)定性(250℃下無尺寸變形)優(yōu)異，從而提高了隔膜的離子傳輸效率，具有優(yōu)異力學性能和均勻孔