De veranderingen die vier nieuwe lithiumbatterijseparatormaterialen aan lithiumbatterijen meebrengen
Als een belangrijk materiaal voor lithiumbatterijen speelt de batterijseparator een rol bij het isoleren van elektronen.het voorkomen van direct contact tussen de positieve en negatieve elektroden en het vrij doorlaten van lithiumionen in de elektrolytTegelijkertijd speelt de separator ook een vitale rol bij de veilige werking van de batterij. In mijn land bevindt de lithiumbatterijseparatorindustrie zich in een stadium van snelle ontwikkeling en zijn natte separatoren geleidelijk de belangrijkste technische route geworden.Er is nog steeds een groot verschil tussen het algemene technische niveau van de binnenlandse scheidingsenergie en het technische niveau van internationale bedrijven van het eerste niveau..
Op het gebied van de technologische ontwikkeling kunnen de traditionele polyolefinseparatoren niet langer voldoen aan de huidige behoeften van lithiumbatterijen.hoge sterkte, en een goede vochtbaarheid voor elektrolyten zijn de ontwikkelingsrichting van lithium-ionbatterijen in de toekomst.
Als een belangrijk materiaal voor lithiumbatterijen speelt de separator een rol in elektronische isolatie.het voorkomen van direct contact tussen de positieve en negatieve elektroden en het vrij doorlaten van lithiumionen in de elektrolytTegelijkertijd speelt de separator ook een vitale rol bij de veilige werking van de batterij.
Onder bijzondere omstandigheden, zoals ongevallen, doorbraken, batterijmisbruik, enz., kan de scheidsregelaar gedeeltelijk beschadigd raken en rechtstreeks contact veroorzaken tussen de positieve en negatieve elektroden.die een gewelddadige reactie van de batterij kunnen veroorzaken en ervoor kunnen zorgen dat de batterij in brand valt en ontploft.
Om de veiligheid van lithium-ionbatterijen te verbeteren en ervoor te zorgen dat de batterij veilig en soepel werkt, moet de separator derhalve aan de volgende voorwaarden voldoen:
1Chemische stabiliteit: reageert niet met elektrolyten en elektrode materialen
2Vochtbaarheid: gemakkelijk met elektrolyten te bevochtigen en niet te rekken of te krimpen
3. Thermische stabiliteit: bestand tegen hoge temperaturen en heeft een hoge veiligheidsisolatie
4Mechanische sterkte: goede treksterkte om de sterkte en breedte tijdens de automatische wikkeling onveranderd te houden
5. Porositeit: hogere porositeit om aan de behoeften van ionengeleidbaarheid te voldoen
Momenteel zijn de in de handel gebrachte lithiumbatterijseparatoren op de markt voornamelijk microporeuze polyolefineseparatoren op basis van polyethyleen (PE) en polypropyleen (PP).Dit type scheider is afhankelijk van zijn lage kostenHet wordt veel gebruikt in lithiumbatterijseparatoren vanwege de voordelen zoals chemische stabiliteit en elektrochemische stabiliteit.
Vanwege het lyofobische oppervlak en de lage oppervlakte-energie van het polyolefinemateriaal zelf heeft dit type separator echter een slechte vochtbaarheid voor het elektrolyt, wat de levensduur van de batterij beïnvloedt..
Bovendien zijn de warmtevervormingstemperaturen van PE en PP relatief laag (de warmtevervormingstemperatuur van PE is 80-85°C en van PP 100°C).de separator zal een ernstige thermische krimp ondergaan wanneer de temperatuur te hoog is, is dit type separator dus niet geschikt voor gebruik in hoge temperatuuromgevingen.traditionele polyolefineseparatoren kunnen niet voldoen aan de eisen van de huidige 3C-producten en accu's.
In reactie op de ontwikkelingsbehoeften van lithium-ionbatterijtechnologie hebben onderzoekers verschillende nieuwe lithiumbatterijseparatormaterialen ontwikkeld op basis van traditionele polyolefinseparatoren.Niet-geweven separatoren gebruiken niet-geweven methoden om de vezels te oriënteren of willekeurig te ordenen om een vezelnetstructuur te vormen, en vervolgens chemische of fysische methoden gebruiken om het membraan te versterken tot een film, zodat het een goede luchtdoorlaatbaarheid en vloeistofabsorptie heeft.
Voor de vervaardiging van niet-geweven membranen worden veel natuurlijke en synthetische materialen gebruikt, met name cellulose en haar derivaten.Synthetische materialen omvatten polyethyleentereftalaat (PET), polyvinylideenfluoride (PVDF), polyvinylideenfluoride (PVDF), vinylideenfluoride-hexafluoropropyleen (PVDF-HFP), polyamide (PA), polyimide (PI), aramide (meta-aramide, PMIA; para-aramide PPTA), enz..
1
polyethyleentereftalaat
Polyethyleentereftalaat (PET) is een materiaal met uitstekende mechanische eigenschappen, thermodynamische eigenschappen en elektrische isolatie eigenschappen.Het meest representatieve product van PET-separatoren is een door het Duitse bedrijf Degussa ontwikkeld composiet membraanHet is gebaseerd op PET-separatoren en bekleed met keramische deeltjes en vertoont een uitstekende hittebestandheid met een gesloten celtemperatuur tot 220°C.
Xiao Qizhen van de Xiangtan University en anderen (2012) gebruikten de electrospinning methode om PET nanovezel separatoren voor te bereiden.De geproduceerde nanovezelscheiders hebben een driedimensionale poreuze netstructuurDe gemiddelde vezeldiameter is 300nm en het oppervlak is glad.
Het smeltpunt van de elektrospun PET-separator is veel hoger dan dat van de PE-film, namelijk 255°C, de maximale treksterkte is 12Mpa, de porositeit bereikt 89%,de vloeistofabsorptie bereikt 500%, die veel hoger is dan de Celgard-separator op de markt, en de ionengeleidbaarheid bereikt 2,27 × 10-3Scm-1, en de cyclusprestaties zijn ook beter dan die van de Celgard-separator.De poreuze vezelstructuur van de PET-separator blijft na 50 cycli van batterijcyclus stabiel, zoals aangegeven onder a).
2
Polyimide
Polyimide (PI) is ook een van de polymeren met goede alomvattende eigenschappen.en kan lang worden gebruikt bij -200 tot 300°C.
Miao et al. (2013) gebruikten electrospinning om een PI nanovezelscheider te maken. De afbraaktemperatuur van de scheider is 500 °C, wat 200 °C hoger is dan de traditionele Celgard-scheider.Zoals in de onderstaande figuur wordt weergegeven, veroudering en thermische krimp zullen niet optreden onder hoge temperatuuromstandigheden van 150°C.
Ten tweede heeft de geproduceerde scheider, vanwege de sterke polariteit van PI en de goede vochtbaarheid van de scheiding met de elektrolyten, een uitstekende vloeistofabsorptie.De door elektrospinning vervaardigde PI-separator heeft een lagere impedantie en een hogere snelheid dan de Celgard-separatorDe capaciteitsbehoud is nog steeds 100% na 100 laad- en ontladingscycli bij 0,2°C.
a) Warmteversmelting van Celgard, PI 40 μm en 100 μm separatoren vóór (a, b, c) en na (d, e, f) behandeling bij 150°C; b) Temperatuurtest
3
metaramide
PMIA is een aromatische polyamide met meta-aniline vertakte ketens op het skelet en heeft een thermische weerstand tot 400°C.separatoren met dit materiaal kunnen de veiligheid van batterijen verbeteren.
Bovendien heeft de separator door de relatief hoge polariteit van de carbonylgroep een hogere bevochtigbaarheid in het elektrolyt, waardoor de elektrochemische eigenschappen van de separator worden verbeterd.
Over het algemeen worden PMIA-separatoren vervaardigd met niet-textieltechnische methoden, zoals electrospinning.zelfontlading zal van invloed zijn op de veiligheidsprestaties en de elektrochemische prestaties van de batterijDit beperkt de toepassing van niet-textielseparatoren tot op zekere hoogte, maar de fase-inversiemethode heeft door haar veelzijdigheid en controleerbaarheid commerciële vooruitzichten.
Het team van Zhu Baoku van de Zhejiang University (2016) heeft een spons-achtige PMIA-separator vervaardigd door middel van de fase-inversiemethode, zoals weergegeven in de figuur.90% van de poriën zijn kleiner dan een micron, en de treksterkte is zo hoog als 10,3Mpa.
De PMIA-separator, vervaardigd volgens de fase-inversiemethode, heeft een uitstekende thermische stabiliteit en er is geen duidelijk massaverlies wanneer de temperatuur tot 400°C stijgt.De separator krimpt niet na een behandeling bij 160°C gedurende 1 uur.
Ook door de sterke polaire functionele groepen is de contacthoek van de PMIA-separator klein, slechts 11,3°, en de sponsachtige structuur maakt het mogelijk vloeistof snel te absorberen,die de bevochtigingsprestaties van de separator verbetert, vermindert de activeringstijd van de batterij en stabiliseert lange cycli.
Bovendien kunnen lithiumionen dankzij de onderling verbonden poreuze structuur in de sponsachtige structuur van de PMIA-separator er soepel doorheen worden overgebracht,dus de ionische geleidbaarheid van de separator vervaardigd door de fase-inversiemethode is zo hoog als 1.51 mS ̇ cm-1.
4
polyparaphenyleenbenzodiazol
Het nieuwe polymeermateriaal PBO (polyphenylenebenzodiazol) is een organische vezel met uitstekende mechanische eigenschappen, thermische stabiliteit en vlamvertragendheid.De matrix is een lineair keten polymer dat niet afbreekbaar is onder 650°CHet heeft een zeer hoge sterkte en modulus en is een ideaal hittebestendig en inslagbestendig vezelmateriaal.
Omdat het PBO-vezeloppervlak extreem glad en fysiek en chemisch inert is, is de vezelmorfologie moeilijk te veranderen.methylsulfonsuur, fluorosulfonzuur, enz. Na een sterke zuur etsen, de fibrillen op de PBO-vezel zal afvallen van de hoofdstam, het vormen van een gespleten filament morfologie,die de verhouding tussen oppervlakte en verbindingssterkte van het interfacesysteem verbetert.
a) PBO-fibrielen; b) PBO-membranen van nanovezels
Hao Xiaoming et al. (2016) gebruikten een mengsel van methanesulfonsuur en trifluorazijnzuur om PBO-fibrillen op te lossen om nanovezels te vormen.en vervolgens een PBO-nanoporeuze separator bereiden door middel van een fase-inversiemethode.
De ultieme sterkte van de separator kan 525 MPa bereiken, de Young-modulus is 20 GPa, de thermische stabiliteit kan 600 °C bereiken, de contacthoek van de separator is 20°,die kleiner is dan de 45° contacthoek van de Celgard2400-separator, en de ionische geleidbaarheid is 2,3×10-4S·cm-1, wat beter presteert dan de commerciële Celgard2400-separator onder 0,1C-cyclusomstandigheden.
Vanwege het moeilijke productieproces van PBO-fibrillen zijn er slechts een handvol bedrijven over de hele wereld die hoogwaardige PBO-vezels produceren, en ze gebruiken allemaal monomeerpolymerisatie.De geproduceerde PBO-vezels vereisen een sterke zuurbehandeling en zijn moeilijk toe te passen op het gebied van lithiumbatterijseparatoren..
Het YoungMooLee-team van de Hanyang University (2016) gebruikte HPI (hydroxypolyimide) nanodeeltjes om een TR-PBO nanovezelcomposite-separator te bereiden door thermische herrangschikking.Naast de hoge sterkte en hoge hittebestendigheid van het PBO-materiaal zelf, de separator Naast de voordelen is de pore-grootteverdeling meer geconcentreerd, de pore-grootte kleiner en hoeft het niet onder sterke zuur- en alkalische omstandigheden te worden bereid.
