Die Veränderungen, die die vier neuen Lithiumbatterieseparatormaterialien für Lithiumbatterien mit sich brachten
Als Schlüsselmaterial für Lithiumbatterien spielt der Batterieseparator eine Rolle bei der Isolierung von Elektronen.Verhinderung des direkten Kontakts zwischen positiven und negativen Elektroden und freier Durchgang von Lithiumionen im ElektrolytGleichzeitig spielt der Separator eine wichtige Rolle für den sicheren Betrieb der Batterie. . die Lithiumbatterieseparatorindustrie in meinem Land befindet sich in einer Phase schneller Entwicklung, und nasse Separatoren sind allmählich zur technischen Hauptströmung geworden.Es besteht nach wie vor eine große Lücke zwischen dem allgemeinen technischen Niveau der inländischen Trennmaschinen und dem technischen Niveau der internationalen Unternehmen der ersten Stufe..
Im Bereich der Technologieentwicklung können die traditionellen Polyolefinseparatoren den derzeitigen Bedarf an Lithiumbatterien nicht mehr decken.hohe Festigkeit, und eine gute Befeuchtbarkeit gegenüber Elektrolyten sind die zukünftige Entwicklungsrichtung von Lithium-Ionen-Batterien.
Als Schlüsselmaterial für Lithiumbatterien spielt der Trennseparator eine Rolle bei der elektronischen Isolierung.Verhinderung des direkten Kontakts zwischen positiven und negativen Elektroden und freier Durchgang von Lithiumionen im ElektrolytGleichzeitig spielt der Separator eine wichtige Rolle für den sicheren Betrieb der Batterie.
Unter besonderen Umständen, wie Unfälle, Punktionen, Batteriemissbrauch usw., kann der Trennscheib teilweise beschädigt werden und einen direkten Kontakt zwischen den positiven und negativen Elektroden herbeiführen.die eine heftige Akku-Reaktion auslösen und dazu führen können, dass die Batterie in Brand geht und explodiert.
Um die Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien zu verbessern und einen sicheren und reibungslosen Betrieb der Batterie zu gewährleisten, muss der Separator daher folgende Bedingungen erfüllen:
1Chemische Stabilität: Reagiert nicht mit Elektrolyten und Elektrodenmaterialien
2. Befeuchtbarkeit: leicht mit Elektrolyten befeuchtet und nicht dehnt oder schrumpft
3. Wärmestabilität: Hohentemperaturen standhält und eine hohe Sicherung isoliert
4Mechanische Festigkeit: gute Zugfestigkeit, um die Festigkeit und Breite während der automatischen Wicklung unverändert zu erhalten
5Porosität: Höhere Porosität, um den Anforderungen an die Ionenleitfähigkeit gerecht zu werden
Derzeit sind die auf dem Markt befindlichen kommerziellen Lithiumbatterieseparatoren hauptsächlich mikroporöse Polyolefinseparatoren auf der Grundlage von Polyethylen (PE) und Polypropylen (PP).Diese Art von Separator beruht auf ihren niedrigen Kosten, gute mechanische Eigenschaften und ausgezeichnete Es wird aufgrund seiner Vorteile wie chemische Stabilität und elektrochemische Stabilität weit verbreitet in Lithiumbatterieseparatoren verwendet.
Aufgrund der lyophobischen Oberfläche und der geringen Oberflächenenergie des Polyolefinmaterials selbst hat dieser Separator jedoch eine schlechte Benetzbarkeit für den Elektrolyt und beeinträchtigt die Zyklusdauer der Batterie..
Da die Wärmeverformungstemperaturen von PE und PP relativ niedrig sind (die Wärmeverformungstemperatur von PE beträgt 80-85 °C und von PP 100 °C),Der Trennseparator wird bei zu hoher Temperatur einer starken thermischen Schrumpfung unterzogen., so dass diese Art von Separator nicht für den Einsatz in Hochtemperaturumgebungen geeignet ist.Traditionelle Polyolefinseparatoren können den Anforderungen der heutigen 3C-Produkte und Leistungssäulen nicht entsprechen.
Als Reaktion auf die Entwicklungsbedürfnisse der Lithium-Ionen-Batterietechnologie haben Forscher verschiedene neue Lithium-Batterie-Separatormaterialien entwickelt, die auf traditionellen Polyolefin-Separatoren basieren.Nichtgewebte Separatoren verwenden nichtgewebte Methoden, um die Fasern zu orientieren oder zufällig zu ordnen, um eine Fasernetzstruktur zu bilden, und dann chemische oder physikalische Methoden verwenden, um die Membran zu verstärken, um einen Film zu bilden, so dass sie eine gute Luftdurchlässigkeit und Flüssigkeitsabsorptionsrate hat.
Natürliche und synthetische Materialien wurden bei der Herstellung von nicht gewebten Membranen weit verbreitet.Zu den synthetischen Materialien gehört Polyethylenterephthalat (PET), Polyvinylidenfluorid (PVDF), Polyvinylidenfluorid (PVDF), Vinylidenfluorid-Hexafluorpropylen (PVDF-HFP), Polyamid (PA), Polyimid (PI), Aramid (Meta-Aramid, PMIA; Para-Aramid PPTA) usw..
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Polyethylenterephthalat
Polyethylenterephthalat (PET) ist ein Werkstoff mit hervorragenden mechanischen, thermodynamischen und elektrischen Dämmqualitäten.Das repräsentativste Produkt von PET-Separatoren ist eine von der deutschen Firma Degussa entwickelte Verbundmembran, die auf PET-Separatoren basiert und mit Keramikpartikeln beschichtet ist.
Xiao Qizhen von der Xiangtan Universität und andere (2012) verwendeten die Elektrospinning-Methode, um PET-Nanofaser-Separatoren vorzubereiten.Die hergestellten Nanofaser-Separatoren haben eine dreidimensionale poröse NetzwerkstrukturDer durchschnittliche Faserdurchmesser beträgt 300 nm und die Oberfläche ist glatt.
Der Schmelzpunkt des elektrospunten PET-Separators ist deutlich höher als der des PE-Films, der 255°C beträgt, die maximale Zugfestigkeit 12Mpa, die Porosität erreicht 89%,die Flüssigkeitsabsorptionsrate erreicht 500%, die deutlich höher ist als der auf dem Markt erhältliche Celgard-Separator, und die Ionenleitfähigkeit erreicht 2,27×10-3Scm-1, und die Zyklusleistung ist ebenfalls besser als die des Celgard-Separators.Die poröse Faserstruktur des PET-Separators bleibt nach 50 Batteriezyklen stabil, wie unter Buchstabe a dargestellt.
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Polyimid
Polyimid (PI) ist auch eines der Polymere mit guten umfassenden Eigenschaften.und kann bei -200 bis 300°C lange verwendet werden.
Miao et al. (2013) verwendeten Elektrospinning, um einen PI-Nanofaser-Separator herzustellen.Wie in der folgenden Abbildung gezeigt, wird bei hohen Temperaturen von 150°C keine Alterung und thermische Schrumpfung auftreten.
Zweitens weist der hergestellte Separator aufgrund der starken Polarität von PI und seiner guten Befeuchtbarkeit gegenüber dem Elektrolyt eine ausgezeichnete Flüssigkeitsabsorptionsrate auf.Der durch Elektrospinning hergestellte PI-Separator hat eine geringere Impedanz und eine höhere Leistungsrate als der Celgard-SeparatorDie Kapazitätsbindung beträgt nach 100 Ladungs- und Entladungszyklen bei 0,2°C immer noch 100%.
(a) Wärmeschrumpfung der Celgard, PI 40 μm und 100 μm Separatoren vor (a, b, c) und nach (d, e, f) Behandlung bei 150 °C;
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Metaramid
PMIA ist ein aromatisches Polyamid mit Meta-Anilin-Verzweigungsketten am Skelett und hat eine Wärmebeständigkeit von bis zu 400°C. Aufgrund seiner hohen FlammschutzfähigkeitSeparatoren mit diesem Material können die Sicherheitsleistung von Batterien verbessern.
Darüber hinaus hat der Separator aufgrund der relativ hohen Polarität der Carbonylgruppe eine höhere Benetzbarkeit im Elektrolyt, wodurch die elektrochemischen Eigenschaften des Separators verbessert werden.
Generell werden PMIA-Separatoren durch nicht-textile Verfahren hergestellt, wie z. B. Elektrospinning.Selbstentladung beeinträchtigt die Sicherheitsleistung und die elektrochemische Leistung der BatterieDies beschränkt den Einsatz von Nichttextilseparatoren bis zu einem gewissen Grad, aber die Phasenumkehrmethode hat aufgrund ihrer Vielseitigkeit und Steuerbarkeit kommerzielle Aussichten.
Das Zhu Baoku-Team der Zhejiang University (2016) produzierte einen schwammartigen PMIA-Separator durch die Phasenumkehrmethode, wie in der Abbildung gezeigt.90% der Porengrößen sind unter Mikron, und die Zugfestigkeit beträgt 10,3 MPa.
Der PMIA-Separator, der mit der Phasenumkehrmethode hergestellt wird, weist eine ausgezeichnete thermische Stabilität auf, wobei bei Temperaturanstieg auf 400°C kein offensichtlicher Massenverlust auftritt.Der Separator schrumpft nach einer Behandlung bei 160°C für 1 Stunde nicht.
Auch aufgrund der starken polaren Funktionsgruppen ist der Kontaktwinkel des PMIA-Separators gering, nur 11,3°, und die schwammartige Struktur ermöglicht es, Flüssigkeit schnell zu absorbieren,die die Befeuchtungseffizienz des Trenners verbessert, reduziert die Aktivierungszeit der Batterie und stabilisiert lange Zyklen.
Aufgrund der miteinander verbundenen porösen Struktur innerhalb der schwammartigen Struktur des PMIA-Separators können darüber hinaus Lithium-Ionen reibungslos innerhalb des Separators übertragen werden.also ist die Ionenleitfähigkeit des durch die Phaseinversionsmethode hergestellten Separators so hoch wie 1.51 mS ̇cm-1.
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Polyparaphenylenbenzodiazol
Das neue Polymermaterial PBO (Polyphenylenebenzodiazole) ist eine organische Faser mit hervorragenden mechanischen Eigenschaften, thermischer Stabilität und Flammschutz.Seine Matrix ist ein lineares Kettenstrukturpolymer, das unter 650°C nicht zersetztEs hat eine sehr hohe Festigkeit und ein hohes Modul und ist ein ideales hitzebeständiges und schlagfestes Fasermaterial.
Da die Oberfläche der PBO-Fasern extrem glatt und physikalisch und chemisch träge ist, ist die Fasermorphologie schwer zu ändern.Methylsulfonsäure, Fluorosulfonsäure usw. Nach starker Säureäterung lösen sich die Fibrillen auf der PBO-Faser vom Hauptstamm und bilden eine Split-Filament-Morphologie.die das Verhältnis zwischen Oberfläche und Verbindungsfestigkeit der Oberfläche verbessert.
a) PBO-Fibrillen; b) Membranstruktur aus PBO-Nanofasern
Hao Xiaoming et al. (2016) verwendeten eine Mischsäure aus Methansulfonsäure und Trifluoratsäure, um PBO-Fibrillen zu lösen, um Nanofasern zu bilden,und anschließend einen PBO-Nanoporenseparator durch eine Phasenumkehrmethode hergestellt.
Die Endfestigkeit des Trenners kann 525 MPa erreichen, der Young-Modul 20 GPa, die thermische Stabilität 600 °C, der Berührungswinkel des Trenners 20°,kleiner als der 45°-Kontaktwinkel des Separators Celgard2400, und die Ionenleitfähigkeit beträgt 2,3×10-4S·cm-1, was unter 0,1C-Zyklusbedingungen besser als der kommerzielle Celgard2400-Separator ist.
Aufgrund des schwierigen Herstellungsprozesses von PBO-Fibrillen gibt es weltweit nur eine Handvoll Unternehmen, die hochwertige PBO-Fasern produzieren, und alle verwenden Monomerpolymerisation.Die hergestellten PBO-Fasern erfordern eine starke Säurebehandlung und sind schwierig in Lithiumbatterieseparatoren anzuwenden..
Das YoungMooLee-Team der Universität Hanyang (2016) verwendete HPI (Hydroxypolyimid) -Nanopartikel, um einen TR-PBO-Nanofaser-Verbundseparator durch thermische Neuordnung vorzubereiten.Zusätzlich zur hohen Festigkeit und hohen Wärmebeständigkeit des PBO-Materials selbst, der Trennstoff Zusätzlich zu den Vorteilen ist die Porengrößenverteilung konzentrierter, die Porengröße kleiner und es ist nicht notwendig, unter starken Säure- und Alkalibedingungen zubereitet zu werden.
