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上海矽諾國際貿(mào)易有限公司 2020-09-14 點擊1818次
鋰離子電池內(nèi)部構件復雜，眾多的部件組成，其中內(nèi)部核心部件之一的就是隔膜。隔膜的作用不僅決定了鋰離子電池內(nèi)部的結(jié)構和內(nèi)部電阻，而且對鋰離子電池內(nèi)部的容量、循環(huán)、安全性能起到至關重要的作用，所以說隔膜性能的好壞決定了鋰離子電池的性能是否優(yōu)異。但在進行隔膜材料制作時，最大的難點就是隔膜造孔的過程技術和基體材料制備，在下文中將進行詳細論述并和不同工藝進行對比。
1 鋰離子電池隔膜制備方法
在進行鋰離子電池隔膜制造時，研究學者通過多次實驗，終于發(fā)現(xiàn)了兩種材料適合作為鋰離子電池隔膜初期的開發(fā)材料，這兩種材料就是聚丙烯和聚乙烯，它們都具有良好的抗撕裂性、抗酸堿腐蝕性、彈性等，同時還具備低電阻、高孔隙率等特性。目前市面上常見的隔膜材料有三種：單層的聚丙烯、單層的聚乙烯、三層的聚丙烯或聚乙烯復合隔膜，這些電池隔膜又可以根據(jù)制造工藝分為干、濕類，兩者最大的區(qū)別就是內(nèi)部成孔原理不同。
1.1 干法制備工藝
所謂干法制備工藝就是把聚烯烴樹脂進行融化、擠壓、吹膜等工序制成的結(jié)晶性質(zhì)的聚合物薄膜，然后再對其進行結(jié)晶化處理、退火等復雜提純工藝，最后得到多層次結(jié)構的薄膜，最后還要在高溫環(huán)境下對其進行拉伸，剝離其結(jié)晶界面，使其結(jié)構上具備較多的孔洞，以便提升薄膜的孔徑。此外在干法制備工藝進行拉伸時，可以根據(jù)拉伸方向分為干法單向和干法雙向拉伸。
干法單向拉伸指的是根據(jù)薄膜的硬彈性纖維方向，制造出低晶度高取向的聚丙烯或聚乙烯薄膜，然后再對其進行高溫退火提純，獲得取向性薄膜。因為這種薄膜在低溫環(huán)境下無法拉伸成銀紋狀薄膜，只能通過高溫環(huán)境下對其進行拉伸處理，使其內(nèi)部的缺陷形成微型孔洞。如美國的Celgard 薄膜生產(chǎn)公司，他們就是采用這種制備工藝進行薄膜的制造，其生產(chǎn)的薄膜大多都是單層的聚丙烯或聚乙烯薄膜、或者是三層的該類型薄膜。這種工藝的缺點是吸收性和收縮性差且橫向強度不高等。還有一種是干法制備工藝衍生的干法雙向拉伸制備工藝，這種工藝首先提出的是我國的中科院，主要的制備流程就是在聚丙烯材料中摻入具備成核成分的β 晶型改進劑，這樣就可以利用不同材料之間密度的不同，使其進行拉伸時發(fā)生性質(zhì)轉(zhuǎn)變，在表面形成微型空洞，這種雙向拉伸工藝比單向拉伸具備透氣性好、滲透性吸收性高等特點.
1.2 濕法制備工藝
濕法制備工藝通過將一些液體化的小分子類物質(zhì)與聚烯烴樹脂進行攪拌混合，對其進行及高溫加熱處理，使得充分融合，并對這種高溫液體進行降溫處理、分離雜質(zhì)等工序，對剩下的物質(zhì)進行壓制處理得到薄膜片，然后再進行高溫加熱達到薄膜熔點，接著采用雙向拉伸工藝決定分子鏈的取向，最后對薄膜材料進行冷卻，利用材料的高溫揮發(fā)物質(zhì)蒸發(fā)帶走膜片上殘存的溶劑。采用這種方法制造出的薄膜，其表面孔洞更加相互貫通。目前許多薄膜制造公司都在向我國學習這種濕法制備工藝，并采用這種制造方式進行材料制備，如美國的Entek 制備公司，日本地區(qū)的旭化成、日東等。采用濕法制備工藝進行制造薄膜，其雙向拉伸性能都相同，薄膜成品的橫向拉伸強度比干法制備要高，此外，這種制備方式對材料的要求不是太高，后期制成的產(chǎn)品能使鋰離子電池性能顯著提升。
2 鋰離子電池隔膜的研究現(xiàn)狀
2.1 多層次鋰離子電池隔膜
目前，對鋰離子電池隔膜的研究仍在進行，主要是對多層次的鋰離子電池隔膜進行研究，這種層次的鋰離子電池隔膜具有極低的閉孔溫度和極高熔點的特性。具體制備方法靈感是來自干法制備技術，以聚丙烯為原材料，制造出的薄膜因為孔洞閉孔穩(wěn)定承受能力較高，所以其熔點也變得較高；同時也可以采用聚乙烯為原材料，不過要采用濕法制備工藝進行制造，生產(chǎn)出的薄膜閉孔溫度承受力較低，其熔點也相對較低。但隔膜的要求通常是要求薄膜具備較低的閉孔溫度，較高的熔點溫度，以便鋰離子電池更好的工作，因為對薄膜制造技術必須進行創(chuàng)新和發(fā)展，多層次的鋰離子電池隔膜的研究和制造被提上日程，首先是美國的Celgard 薄膜生產(chǎn)公司，他們提出把干、濕法制造出的薄膜進行優(yōu)點的集合，即薄膜要具備濕法工藝的低閉孔溫度，干法工藝的高熔點，要研制出多層的鋰離子電池隔膜。原料主要采用聚丙烯、聚乙烯等，制造工藝是把聚乙烯材料夾雜在兩層聚丙烯之間，以便提升
其熔點，為電池提供更高的安全保障.
2.2 對隔膜表面進行改性
通過對薄膜材料進行研究分析，發(fā)現(xiàn)聚丙烯、聚乙烯等原材料制造的薄膜對電解質(zhì)的親和能力較差，要想提升鋰離子電池的性能，必須要對薄膜的原材料進行改性。通過大量實驗發(fā)現(xiàn)，首先要在聚丙烯、聚乙烯材料制作的薄膜表面進行接枝親水性單體，或者改變電解質(zhì)內(nèi)部的有機溶劑。具體實例：著名的鋰離子電池隔膜研究者RUIYINGMIAO，其運用多層面的復合型微孔薄膜對高強度的液態(tài)鋰離子電池進行包裹，并在表面進行涂抹PVDF進行處理，這樣鋰離子電池表面的隔膜就會改性，隔膜改性后可以和正極類型的材料進行兼容處理，并能結(jié)合在一起，這樣不但降低了隔膜的厚度，而且縮小了電池的體積。此外研究學家程琥通過在美國Celgard公司生產(chǎn)的單層聚丙烯隔膜表面涂抹內(nèi)部摻雜納米二氧化硅的聚氧乙烯材料，可以改變薄膜的循環(huán)性質(zhì)和濕潤性[3]。
3 鋰離子電池隔膜的展望
鋰離子電池隔膜的進步和發(fā)展是建立在鋰離子電池發(fā)展的基礎上的，兩者是“命運共同體”，隔膜技術是隨著電池技術的不斷發(fā)展而進步的。首先從鋰離子電池的體積上來說，電池的體積在向兩極化發(fā)展，要么微型化、要么巨型化，所以電池的進步和發(fā)展對隔膜技術的標準也愈發(fā)提高。通過對鋰離子電池市場進行分析，汽車動力電池將是未來的主要發(fā)展方向，汽車電池產(chǎn)業(yè)必將快速興起，屆時對電池隔膜的需求量也會極大增加。
此外，鋰離子電池的發(fā)展趨勢必須要堅持降低電池的制造成本，以便增強鋰離子電池的使用年限和本身的安全性能，同時還要加大對電動汽車鋰離子電池和可再生資源儲備電池等方面的研究力度。要根據(jù)鋰離子電池市場的變化調(diào)整相應的對策。目前汽車鋰離子電池的興起和發(fā)展，必將推動隔膜技術的創(chuàng)新和發(fā)展，所以未來電池隔膜的市場可以主要放在汽車鋰離子電池方面。以聚烯烴主導制成的孔膜完全可以占據(jù)未來液態(tài)鋰離子電池市場。未來鋰離子電池的發(fā)展，也將會對隔膜制造技術產(chǎn)生影響，隔膜制備技術必須要進行相應的創(chuàng)新和發(fā)展，使本身工藝多樣化、制備過程科學完善化，才能在未來的鋰離子電池市場占據(jù)一席之地。