鋰離子電池隔膜基礎(chǔ)知識(shí)培訓(xùn)手冊(cè)

鋰離子電池隔膜基礎(chǔ)知識(shí)培訓(xùn)手冊(cè)(一)鋰離子電池隔膜基礎(chǔ)知識(shí)鋰離子電池隔膜是一種具有納米級(jí)微孔的高分子功能材料，隨著鋰離子電池的廣泛使用而走進(jìn)人們的生活?？沙潆婁囯x子二次電池具有高比能量、長(zhǎng)循環(huán)壽命、無(wú)記憶效應(yīng)的特性，又具有安全、可靠且能快速充放電等優(yōu)點(diǎn)，因而成為近年來(lái)新型電源技術(shù)研究的熱點(diǎn)。由于鋰離子電池是綠色環(huán)保型無(wú)污染的二次電池，符合當(dāng)今各國(guó)能源環(huán)保方面大的發(fā)用。隔膜的性能決定了電池的界面結(jié)構(gòu)、電解質(zhì)的保持性和電池的內(nèi)阻等，進(jìn)而影響電池的容量、循環(huán)性能、充放電電流密度等關(guān)鍵特性，所以，隔膜性能的優(yōu)劣直接影響了電在我國(guó)，鋰離子電池原材料已基本實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化，但是隔膜材料卻主要依靠進(jìn)口，一些制作隔膜的關(guān)鍵技術(shù)被日本和歐美壟斷。最近幾年，隔膜在我國(guó)已有生產(chǎn)，各項(xiàng)指標(biāo)也接近或達(dá)到了國(guó)外產(chǎn)品的水平。(二)電池隔膜的分類制造隔膜的材料有天然或合成的高分子材料、無(wú)機(jī)材料等。根據(jù)原材料特點(diǎn)和加工方法不同，可將隔膜分成有機(jī)材料隔膜、編制隔膜、氈狀膜、隔膜紙和陶瓷隔膜等。電池用隔膜與微孔膜兩大類。半透膜的孔徑一般小于1nm，而微孔膜(三)鋰離子電池隔膜的功能及機(jī)理外部回路在正負(fù)電極之間遷(四)鋰離子電池隔膜的主要用途GPS電池、電動(dòng)車和儲(chǔ)能裝置電池等。(一)聚烯烴隔膜分類法按工藝分類按結(jié)構(gòu)分類PPPE法PP/PE/PP(二)聚烯烴隔膜的主要原料隔膜使用的聚烯烴材料目前主要是聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)兩類。聚烯烴材料具有多領(lǐng)聚烯烴隔膜，因?yàn)榫鄯€(wěn)定性，而且具有高溫自(三)聚烯烴隔膜的主要生產(chǎn)方法1、熱致相分離法(濕法—TIPS)后，將溶劑萃取后在聚合物相2、熔融拉伸法(干法—MSCS)熔融拉伸法的制備原理是，高聚物熔體擠出時(shí)在拉伸應(yīng)力作用冷卻下結(jié)晶，形成平行排列的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，經(jīng)過(guò)熱處理后的薄膜在拉伸后晶體之間分離而形成狹縫狀微孔，再經(jīng)過(guò)熱定在聚丙烯微孔膜制備中除了拉開片晶結(jié)構(gòu)外，還可以通過(guò)在聚合物中添加結(jié)晶成核劑，形成特定的β晶型，然后在雙向拉伸過(guò)程中發(fā)生β晶型向α晶型轉(zhuǎn)變，晶體體積收縮產(chǎn)生方法不同生產(chǎn)方法的隔膜特點(diǎn)方單向拉伸式理設(shè)備簡(jiǎn)單，投資方法特雜、成本高、環(huán)點(diǎn)境友好雙向拉伸配方控制難低雙向拉伸相分離設(shè)備復(fù)雜、投資較大、周期復(fù)染微孔尺寸小、分微孔尺寸孔徑分布寬，布均勻，微孔導(dǎo)大、分布不穿刺強(qiáng)度高；(四)聚烯烴隔膜的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)結(jié)構(gòu)單層、雙層單層、雙層三層材料PPPEPP/PE/PP生產(chǎn)方干法干法、濕法干法法溫閉孔(130℃圍動(dòng)力電池性能參數(shù)和使用要求(一)隔膜的基本性能表征孔隙率是孔的體積和隔膜體積的比值，即單位膜的體積中孔所占的體積百分比。它與原材料樹脂以及最終制品的密度有關(guān)，大多數(shù)鋰離子電池隔膜的孔隙率在35%~60%之間。孔隙率與隔膜的透過(guò)能力有一定關(guān)系，但孔隙率大并不代表隔膜的透過(guò)性好，因?yàn)橥高^(guò)性取決于微孔的導(dǎo)通率和孔徑大小。另外，對(duì)于一定的電解質(zhì)，具有高孔隙率的隔膜可以降的體積量一般為100ml，有些公司也會(huì)標(biāo)透氣度是由膜的孔徑大小、孔徑分布、孔隙率和開孔率等決定的，透氣率從一定意義上來(lái)講，和用此隔膜裝配的電池的內(nèi)阻成正比，即該數(shù)值越大，則內(nèi)阻越大。然而，對(duì)于不同類型、厚度的隔膜，該數(shù)字的直接比較沒(méi)有任何意義。因?yàn)殇囯x子電池中的內(nèi)阻和離子傳導(dǎo)有關(guān)，而透氣率和氣體傳導(dǎo)有關(guān)，兩種機(jī)理是不一樣的。換句話說(shuō)，單純比較兩種不同隔膜的Gurley數(shù)是沒(méi)有意義的，因?yàn)榭赡軆煞N隔膜的微觀結(jié)構(gòu)完全不一樣；但同一種ey膜材料與電解液的浸潤(rùn)性能影響，還受隔膜的孔隙率、開孔率、孔徑的影響。吸液率測(cè)試方法是把干式樣稱重后浸泡在電解液中，直至吸收平衡，再取出濕隔膜擦干表位積吸收電解液的重量。一般隔膜的孔徑在納米級(jí)，雙拉方式生產(chǎn)的隔膜的孔接近圓形，干法隔膜的孔為長(zhǎng)條形?？讖降拇笮∨c隔膜的透過(guò)能力有關(guān)，過(guò)小的孔徑會(huì)抑制鋰離子通過(guò)，過(guò)大的孔徑有可能導(dǎo)致隔膜穿孔形成電池微短路導(dǎo)致電池自放電過(guò)快?？椎姆植疾痪鶆蛴锌赡軐?dǎo)致電池內(nèi)部電度不一致，長(zhǎng)期使用中鋰離子可能沉積形成枝晶狀刺穿隔膜。法圍徑孔徑均勻，孔較法0~40020小0~孔徑不均勻，分法0~孔徑較均勻，分法200~250布寬電池對(duì)隔膜機(jī)械強(qiáng)度的要求較高。電池中的隔膜直接接觸有硬表面的正極和負(fù)極，度和斷裂伸長(zhǎng)率也有一定要求。單軸拉伸的隔膜在拉伸方向與垂直拉伸方向強(qiáng)度不同，而沒(méi)有性能上的優(yōu)勢(shì)。因?yàn)殡姵鼐砝@的受力方向是縱向；橫向拉伸會(huì)導(dǎo)致垂直方向的收縮，相互接觸。一般而言孔隙率、透氣性較高時(shí)，盡管其膜在一定方向上、通過(guò)拉伸夾具以一定的試驗(yàn)速度拉，斷裂時(shí)伸長(zhǎng)量與原長(zhǎng)的比值于短法。隔膜的閉孔溫度和破膜溫度是該性能的主要參通過(guò)，但熱慣性會(huì)使溫度進(jìn)一步上升，有可能達(dá)到破膜溫度好。孔溫PPPEPE膜溫度在熱收縮率反映隔膜在受熱時(shí)的尺寸穩(wěn)定性。除了隔膜需要在電池使用的溫度范圍內(nèi)(-20~60℃)保持尺寸穩(wěn)定外，還有一個(gè)就是在電池生產(chǎn)過(guò)程中由于電解液對(duì)水份非常敏行85~90℃的長(zhǎng)時(shí)間烘烤，所以要求在這個(gè)溫度下隔膜的尺膜收縮過(guò)大，極片外露造成短路；另外在電電態(tài)下測(cè)試得到。對(duì)于卷繞形式的電芯來(lái)說(shuō)，由于縱向有生(二)鋰離子電池對(duì)隔膜的要求卷卷繞疊片卷繞疊片；方形、圓形性形性隔膜單片使用，要求易分開(一)動(dòng)力用鋰離子電池隔膜最近幾年，隨著環(huán)保和能源問(wèn)題的日益突出，國(guó)內(nèi)外對(duì)電動(dòng)汽車的研究也越來(lái)越受到重視。與鉛酸、鎳氫蓄電池相比，鋰離子動(dòng)力電池具有電壓高、能量密度大、充放電速度、使用壽命長(zhǎng)、無(wú)記憶效應(yīng)、無(wú)污染等優(yōu)勢(shì)，可以代替燃油系統(tǒng)及傳統(tǒng)鉛酸、鎳鎘電池，提升能源利用效率，減少空氣和鉛、鉻等重金屬污染。作為一種無(wú)污染儲(chǔ)能裝置，鋰離子動(dòng)力電池是發(fā)展新型可再生能源產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)；作為動(dòng)力設(shè)備的驅(qū)動(dòng)能源，它基本可以達(dá)到零排放的要求，是當(dāng)代最有前景的綠色電源。鋰離子電動(dòng)電池可廣泛應(yīng)用于車輛船艦、通信電新興的大型鋰離子動(dòng)力電池廠家都在尋求與自己生產(chǎn)工藝相匹配的優(yōu)質(zhì)隔膜，以應(yīng)用在混合動(dòng)力車以及純電動(dòng)汽車等大型且相對(duì)功率較高的電源中。由于大型動(dòng)力交通工具所用電大型動(dòng)力電池通常是由多個(gè)較小的電池通過(guò)串聯(lián)、并聯(lián)的方式獲得較高的電壓、電流和功能質(zhì)量的好壞對(duì)大型車用電池電化學(xué)性能表現(xiàn)方面的影響更加突出。根據(jù)動(dòng)力電池的要求，首先，隔膜必須有較好的厚度均勻性，孔的分布均勻性，孔徑分布均勻才能保證電芯在較大幅寬范圍充放電電流密度一致；其次，隔膜要具有較高的孔隙率和較大的孔徑，能夠吸收和保持更多的電解液，較小的孔徑曲折度會(huì)減小對(duì)鋰離子通過(guò)的抑制，降低電池的內(nèi)阻，才能適應(yīng)動(dòng)力電池實(shí)現(xiàn)快速充放電的要求，支持動(dòng)力電池在使用過(guò)程中實(shí)現(xiàn)大電這樣才能使高溫時(shí)放電倍率不至于下降太嚴(yán)重。從隔膜材料的角度來(lái)看，PP隔膜比較適電，PP隔膜的高溫穩(wěn)定性使得其在高溫環(huán)境時(shí)放電效率仍能夠保持較高的水平。另外考(二)鋰離子電池隔膜的發(fā)展趨勢(shì)鋰離子電池隔膜的發(fā)展是隨著鋰離子電池的需求不斷變化而不斷發(fā)展的，從體積上看，鋰離子電池正在朝著小和大兩個(gè)截然不同的方向發(fā)展。在一些如手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)等電子產(chǎn)品上，為了迎合美觀、便于攜帶的需求，電池廠將電池的電芯做得非常小巧。為了追求高的能量密度，在狹小的體積中能容納下更多的電極材料，電池廠家希望隔膜的厚度越薄越好，現(xiàn)在很多廠家要求提供20μm甚至16μm厚的隔膜。體積更小是對(duì)隔膜的一個(gè)挑戰(zhàn)，因與此相反，在電動(dòng)自行車、電動(dòng)汽車及電動(dòng)工具等所使用的動(dòng)力電池方面，為了獲得高的容量、提供大的功率，通常一個(gè)電池需要使用幾十甚至上百個(gè)電芯進(jìn)行串接。由于鋰電池具有潛在的爆炸危險(xiǎn)，隔膜的安全性相當(dāng)重要，現(xiàn)在市場(chǎng)上對(duì)厚度較厚的聚丙烯隔膜的需益增加。由于聚乙烯、聚丙烯等聚烯烴非極性材料制成的隔膜具有低的表面性能，在鋰離子電池使用的極性碳酸酯類電解液中雖能很好的浸潤(rùn)，但由于吸液性能并不太好，離子電導(dǎo)率低。材料的表面性能可以通過(guò)表面處理進(jìn)行改善，離子輻照、表面等離子體處理以及紫外光照射接枝等方法已經(jīng)是非常成熟的表面處理方法。對(duì)聚烯烴隔膜進(jìn)行表面處理，提高隔膜的鋰離子電池的安全性是人們關(guān)注的一個(gè)重點(diǎn)，隔膜的耐熱性能就成了制約鋰離子電池發(fā)展的一個(gè)重要因素。開發(fā)高耐熱性能的隔膜也是一個(gè)發(fā)展方向，但無(wú)論聚乙烯、聚丙烯還是其它熱塑性高分子材料，在接近熔點(diǎn)時(shí)材料均會(huì)因融化而收縮變形，給二次鋰離子電池的安全性能帶來(lái)潛在隱患。無(wú)機(jī)物如氧化鋁、氧化鋯等在100~300℃的范圍內(nèi)非常穩(wěn)定，且市場(chǎng)化。德國(guó)的Degussa公司結(jié)合有機(jī)物的柔性和無(wú)機(jī)物良好熱面復(fù)合無(wú)機(jī)陶瓷氧化物涂層的方法，制備出了有機(jī)底電池隔膜。在電池充放電過(guò)程中，即使有機(jī)底膜發(fā)生熔化，無(wú)膜的完整性，防止大面積正/負(fù)極短路現(xiàn)象的出現(xiàn)，這種有機(jī)/無(wú)機(jī)的解決方案，將是未來(lái)鋰離子電池的泄爆炸隱患，近年使電解液與具有離子潤(rùn)形成凝膠的全固態(tài)凝膠聚合物鋰離子電池開始出現(xiàn)。全固態(tài)電解質(zhì)，要求隔膜具有很好的吸液性能，出現(xiàn)了以偏氟乙烯報(bào)道。同時(shí)在以聚烯烴隔膜材料為基體，涂覆PVDF、PEO等材固。)隔膜知識(shí)問(wèn)與答答：孔隙率是指單位體積中隔膜中微孔所占的百分比，通常是通過(guò)測(cè)定隔膜的表觀密度與原材料密度的比值得到的。由于隔膜的厚度比較難準(zhǔn)確測(cè)到，所以計(jì)算出來(lái)的孔隙率會(huì)有法隔膜的孔隙率一般在35-50%，濕法隔膜的孔隙率在40-60%。透氣率是指過(guò)氣體的能力，通常用Gurley數(shù)表示。常用的標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)設(shè)備為l比較的。但在同一類產(chǎn)品中，一般情況下孔常高因?yàn)橥笟舛瘸伺c孔隙率有關(guān)外，還與隔膜的開孔率和孔徑的大情況下，隨著孔隙率的增加，單位，此時(shí)隔膜的透氣率可能會(huì)增大(要視開孔率和孔徑的大小而，但也只能在一定程度上保障電池的安全性，因?yàn)樗吇拘阅軈?shù)上沒(méi)有太大區(qū)別，主要是對(duì)電池的電性能和(1)多層復(fù)合隔膜彌補(bǔ)了單層隔膜在