Zmiany wprowadzone przez cztery nowe materiały oddzielające baterie litowe
Jako kluczowy materiał do baterii litowych, separator baterii odgrywa rolę w izolacji elektronów,uniemożliwiające bezpośredni kontakt między elektrodami dodatnimi a ujemnymi i umożliwiające swobodny przepływ jonów litu w elektrolicieJednocześnie separator odgrywa istotną rolę w zapewnieniu bezpiecznej pracy baterii. . przemysł separatorów baterii litowych w moim kraju znajduje się w fazie szybkiego rozwoju, a separatory mokre stopniowo stają się głównym kanałem technicznym.nadal istnieje duża różnica między ogólnym poziomem technicznym krajowych separatorów a poziomem technicznym międzynarodowych przedsiębiorstw pierwszego rzędu.
W dziedzinie rozwoju technologii tradycyjne separatory poliolefinowe nie są już w stanie zaspokoić obecnych potrzeb baterii litowych.wysoka wytrzymałośćW przyszłości kierunek rozwoju baterii litowo-jonowych będzie dotyczył:
Jako kluczowy materiał do akumulatorów litowych, separator odgrywa rolę w izolacji elektronicznej,uniemożliwiające bezpośredni kontakt między elektrodami dodatnimi a ujemnymi i umożliwiające swobodny przepływ jonów litu w elektrolicieJednocześnie separator odgrywa istotną rolę w zapewnieniu bezpiecznej pracy baterii.
W szczególnych okolicznościach, takich jak wypadki, przebicia, nadużywanie baterii itp., separator może zostać częściowo uszkodzony i spowodować bezpośredni kontakt między elektrodami dodatnimi a ujemnymi,który może wywołać gwałtowną reakcję baterii i spowodować, że bateria zapali się i eksploduje.
W związku z powyższym w celu poprawy bezpieczeństwa baterii litowo-jonowych i zapewnienia bezpiecznej i sprawnego działania baterii separator musi spełniać następujące warunki:
1Stabilność chemiczna: nie reaguje z elektrolitami i materiałami elektrodowymi
2Wypłynność: łatwo moczyć elektrolitem i nie rozciąga się ani nie kurczy
3Stabilność termiczna: wytrzymuje wysokie temperatury i ma wysoką izolację bezpieczników
4Wytrzymałość mechaniczna: dobra wytrzymałość na rozciąganie, aby zapewnić, że wytrzymałość i szerokość pozostają niezmienione podczas automatycznego uzwojenia
5. Porowatość: wyższa porowatość w celu zaspokojenia potrzeb przewodzenia jonowego
Obecnie wprowadzane do obrotu separatory akumulatorów litowych to głównie mikroporowe separatory poliolefinowe na bazie polietylenu (PE) i polipropylenu (PP).Ten rodzaj separatora opiera się na niskich kosztach, dobre właściwości mechaniczne i doskonałe Jest szeroko stosowany w separatorach baterii litowych ze względu na jego zalety, takie jak stabilność chemiczna i stabilność elektrochemiczna.
Jednakże ze względu na ljofobiczną powierzchnię i niską energię powierzchniową samego materiału poliolefinowego, ten typ separatora ma słabą nawilżalność do elektrolitu, co wpływa na czas trwania cyklu baterii.
Ponadto, ponieważ temperatury deformacji cieplnej PE i PP są stosunkowo niskie (temperatura deformacji cieplnej PE wynosi 80-85°C, a PP 100°C),Separator ulegnie silnemu kurczeniu termicznemu, gdy temperatura jest zbyt wysoka, więc ten typ separatora nie nadaje się do stosowania w środowiskach o wysokiej temperaturze.Tradycyjne separatory poliolefiny nie mogą spełniać wymogów dzisiejszych produktów 3C i baterii zasilania.
W odpowiedzi na potrzeby rozwojowe technologii baterii litowo-jonowych naukowcy opracowali różne nowe materiały do separacji baterii litowych oparte na tradycyjnych separatorach poliolefinowych.Separatory nietkane wykorzystują metody nietkane do ukierunkowania lub losowego układania włókien w celu utworzenia struktury siatki włókienniczej, a następnie stosować metody chemiczne lub fizyczne do wzmocnienia błony w postaci folii, tak aby miała dobrą przepuszczalność powietrza i szybkość wchłaniania płynu.
Materiały naturalne i syntetyczne są szeroko stosowane w produkcji błon nietkanych.Materiały syntetyczne obejmują politereftalan etylenowy (PET), fluorek poliwinilidu (PVDF), fluorek poliwinilidu (PVDF), fluorek winylidu-heksapłoropropylen (PVDF-HFP), poliamid (PA), poliamid (PI), aramid (meta-aramid, PMIA; para-aramid PPTA), itp..
1
polietylentereftalatu
Politereftalan etylenowy (PET) to materiał o doskonałych właściwościach mechanicznych, termodynamicznych i izolacyjnych.Najbardziej reprezentatywnym produktem separatorów PET jest membrana kompozytowa opracowana przez niemiecką firmę Degussa, który jest oparty na separatorach PET i pokryty cząstkami ceramicznymi. Wykazuje doskonałą odporność na ciepło, z temperaturą zamkniętej komory nawet 220 °C.
Xiao Qizhen z Uniwersytetu Xiangtan i inni (2012) użyli metody elektrospinowania do przygotowania separatorów nanowłókna PET.Produkowane separatory nanowłókna mają trójwymiarową strukturę porowatej sieciŚrednia średnica włókna wynosi 300 nm, a powierzchnia jest gładka.
Temperatura topnienia separatora PET z elektropunkiem jest znacznie wyższa niż w przypadku folii PE, która wynosi 255°C, maksymalna wytrzymałość na rozciąganie wynosi 12Mpa, porowatość osiąga 89%,stopa wchłaniania płynu osiąga 500%, która jest znacznie wyższa niż w przypadku separatora Celgard dostępnego na rynku, a przewodność jonowa osiąga 2,27 × 10-3Scm-1, a wydajność cyklu jest również lepsza niż w przypadku separatora Celgard.Strukturę włókien porowatych separatora PET utrzymuje się stabilnie po 50 cyklach cyklu baterii, jak pokazano w lit. a).
2
Polyimid
Polyimid (PI) jest również jednym z polimerów o dobrych właściwościach wszechstronnych.i może być stosowany przez długi czas w temperaturze od -200 do 300°C.
Miao et al. (2013) wykorzystał elektrospinning do stworzenia separatora nanowłókna PI. Temperatura degradacji separatora wynosi 500 ° C, co jest o 200 ° C wyższa niż tradycyjny separator Celgard.Jak pokazano na rysunku poniżej, starzenie się i kurczenie cieplne nie wystąpią w warunkach wysokiej temperatury 150°C.
Po drugie, ze względu na silną biegunowość PI i dobrą nawilżalność do elektrolitu, wytworzony separator wykazuje doskonałą szybkość wchłaniania płynu.Separator PI wykonany przez elektrospinning ma niższą impedancję i wyższą wydajność prędkości niż separator CelgardPo 100 cyklach ładowania i rozładowywania w temperaturze 0,2°C stopa utrzymania pojemności jest nadal na poziomie 100%.
a) skurcz cieplny separatorów Celgard, PI 40 μm i 100 μm przed (a, b, c) i po (d, e, f) obróbce w temperaturze 150°C; b) badanie prędkości
3
metaramid
PMIA jest aromatycznym poliamidem z meta-anilinowymi rozgałęzionymi łańcuchami na jego szkielet i ma odporność termiczną do 400 °C. Ze względu na wysokie właściwości opóźniające płomień,separatory z tego materiału mogą poprawić bezpieczeństwo baterii.
Ponadto, ze względu na stosunkowo wysoką biegunowość grupy węglowanowej, separator ma wyższą wilgotność w elektrolicie, co poprawia właściwości elektrochemiczne separatora.
Ogólnie rzecz biorąc, separatory PMIA wytwarzane są metodami niewłókienniczymi, takimi jak elektrospinning.samowyładowanie wpłynie na bezpieczeństwo i elektrochemiczne właściwości akumulatoraOgranicza to do pewnego stopnia zastosowanie separatorów nietekstylowych, ale metoda odwrócenia fazy ma perspektywy komercyjne ze względu na swoją wszechstronność i kontrolę.
Zespół Zhu Baoku z Uniwersytetu Zhejiang (2016) wyprodukował gąbkowy separator PMIA za pomocą metody inwersji fazy, jak pokazano na rysunku.90% wielkości porów jest mniejsze niż mikrony, a wytrzymałość na rozciąganie wynosi aż 10,3Mpa.
Separator PMIA wyprodukowany metodą odwrócenia fazy ma doskonałą stabilność termiczną.Separator nie kurczy się po 1 godzinnej obróbce w temperaturze 160°C.
Z uwagi na silne grupy funkcjonalne polaryzowane kąt kontaktu separatora PMIA jest niewielki, zaledwie 11,3°, a struktura podobna do gąbki pozwala szybko wchłonąć płyn,który poprawia właściwości nawilżania separatoraZmniejsza czas aktywacji baterii i stabilizuje długie cykle.
Ponadto ze względu na połączoną między sobą porową strukturę wewnątrz struktury podobnej do gąbki separatora PMIA, jony litu mogą być w nim płynnie przenoszone,więc przewodność jonowa separatora wytworzonego metodą inwersji fazowej wynosi aż 1.51 mS ̇ cm-1.
4
poliparaphenilenbenzodiazol
Nowy polimerowy materiał PBO (polyphenylenebenzodiazole) to włókno organiczne o doskonałych właściwościach mechanicznych, stabilności termicznej i opóźnionym działaniu płomienia.Jego matryca jest polimerem o strukturze liniowej łańcucha, który nie rozkłada się poniżej 650 °CMa bardzo wysoką wytrzymałość i moduł i jest idealnym materiałem włóknistym odpornym na ciepło i uderzenia.
Ponieważ powierzchnia włókna PBO jest niezwykle gładka i fizycznie i chemicznie obojętna, morfologia włókien jest trudna do zmiany.kwas metylosulfonowy, kwas fluorowsiarczanowy itp. Po silnym etsowaniu kwasowym włókna na włóknie PBO odszczepią się od głównego pnia, tworząc morfologię rozszczepionego włókna,który poprawia stosunek powierzchni powierzchni i wytrzymałości wiązania między powierzchniami.
a) włókna PBO; b) struktura membranowa nanowłókna PBO
Hao Xiaoming et al. (2016) użył mieszaniny kwasu metanosulfonowego i kwasu trójfluorooctowego do rozpuszczenia włókien PBO w celu utworzenia nanowłókna,a następnie przygotowano nanoporowy separator PBO metodą inwersji fazy.
Wytrzymałość segregatora może osiągnąć 525Mpa, moduł Younga 20GPa, stabilność termiczna może osiągnąć 600°C, kąt kontaktu segregatora wynosi 20°,który jest mniejszy niż kąt kontaktu 45° separatora Celgard2400, a przewodność jonowa wynosi 2,3×10-4S·cm-1, co daje lepsze wyniki niż komercyjny separator Celgard2400 w warunkach cyklu 0,1C.
Ze względu na trudny proces wytwarzania włókien PBO, na całym świecie istnieje tylko garstka firm produkujących wysokiej jakości włókna PBO, a wszystkie wykorzystują polimeryzację monomeru.Wyprodukowane włókna PBO wymagają silnej obróbki kwasowej i są trudne do zastosowania w sektorze separatorów akumulatorów litowych..
Zespół YoungMooLee z Uniwersytetu Hanyang (2016) wykorzystał nanocząstki HPI (hydroksypoliamid) do przygotowania separatora kompozytowego nanowłókna TR-PBO poprzez przekształcenie termiczne.Oprócz wysokiej wytrzymałości i wysokiej odporności na ciepło samego materiału PBO, separator Oprócz zalet, rozkład wielkości porów jest bardziej skoncentrowany, wielkość porów jest mniejsza i nie wymaga przygotowania w silnych warunkach kwasowych i alkalicznych.
