微孔隔膜成分分析及配方还原

  • 发布时间:2019-10-17 08:37:54,加入时间:2019年05月22日(距今2222天)
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  锂离子电池具有长循环寿命、高比能量、无记忆效应的特性,广泛用于手机、笔记本电 脑、摄录机等便携式电子产品所需的充电电池以及环保型电动汽车等所需的动力电源。微孔 隔膜是锂离子电池的重要组成部分,其作用是阻止正负极材料之间的物理接触,并且允许离 子流从隔膜的微孔道中通过,从而保证电池充放电过程中锂离子在正负电极之间快速传输。 隔膜的结构与性能直接影响到电池的容量、循环性能以及安全性能。目前锂离子电池主要使 用聚合物微孔膜作为隔膜材料。

聚合物微孔膜用于锂离子电池隔膜材料时需要满足一系列技术指标,包括孔隙率、孔径 大小及分布、透气性、对电解质的润湿性、机械强度、闭孔温度、热收缩变形温度等。其中 微孔膜的闭孔温度和热收缩变形温度是与锂离子电池安全性相关的重要指标。锂离子电池充 放电过程中会产生热量,使得电池温度升高。当电池温度过高时,电池内部的组分会发生快 速反应而导致电池发生爆炸。一方面,聚合物微孔膜可以通过微孔闭合对电池提供一定的安 全保护作用。因为当电池温度升高到一定程度后,微孔膜中供离子传导的微孔将会闭合,微 孔隔膜转变成无孔绝缘层,从而阻断离子的继续传输,形成断路,起到保护电池的作用。但 是聚合物微孔隔膜受热后也会发生收缩变形。一旦隔膜发生收缩变形破坏,会使电池的正负 电极直接接触,在强氧化性的阳极材料与强还原性的阴极材料之间引发激烈的化学反应,导 致电池大量放热而发生爆炸。所以,理想的聚合物微孔隔膜应该具有低闭孔温度和高热收缩 破膜温度。

目前在商品化锂离子电池中大量使用的隔膜材料为聚乙烯微孔膜,可以通过湿法工艺和 干法工艺制备。干法工艺又称为单向拉伸工艺,该方法首先通过熔体牵伸冷却结晶得到硬弹 性流延基膜,对流延基膜进行热处理后分别对其实施冷拉伸和热拉伸,将其转变为微孔膜。 单向拉伸工艺制备的聚乙烯微孔膜具有孔隙率高、孔径分布均匀、抗撕裂强度高、抗酸碱能 力强等特性,对非质子溶剂也具有良好的保持性能。但是聚乙烯微孔膜的闭孔温度和热收缩 破膜温度都受其熔点控制,二者比较接近,分别在125~130℃左右和135~140℃左右,当电池 快速充放电过热时容易发生安全性方面的问题。

为了改进聚乙烯微孔膜作为锂离子电池隔膜使用时在电池安全性方面的缺陷,人们提出 了多种方法对聚乙烯微孔膜进行改性,以提高其高温下的机械强度和热收缩破膜温度,其中 一种途径是在聚乙烯微孔膜表面涂覆耐热性涂层。但是,利用涂层技术提高聚乙烯电池隔膜 材料耐热性能的同时也带来其他问题:(1)涂层与隔膜之间的结合力较差,容易在加工电池 过程中造成脱落,影响电池的使用寿命;(2)无机粉体难以在有机聚合物涂层中形成均匀分 散,而且无机粒子与有机聚合物之间的结合力也不够高,降低了复合涂层的强度和热稳定性; (3)形成的表面涂层容易堵塞微孔膜原有的微孔道,降低微孔隔膜原有的孔隙率和透气率, 阻碍离子传导,从而影响电池性能。

以含芳杂环聚酯二元醇和芳香族异氰酸酯为基本组份,结合交联剂、发泡剂、催化剂和无机纳米填料,按照一定的组成配比配制成涂覆液;将涂覆液涂布于聚乙烯微孔隔膜的至少一个表面上,在特定温度条件下固化后,在聚乙烯微孔隔膜表面形成具有开孔泡沫结构的有机聚合物/无机纳米粒子复合交联涂层。本发明的聚乙烯微孔隔膜在保持较高孔隙率和透气率的同时,热收缩破膜温度得到大幅度提高,用于动力锂离子电池隔膜材料时可明显提升电池的使用安全性能。  

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