Como um material chave para baterias de lítio, o separador funciona como uma barreira eletrônica para evitar o contato direto entre os eletrodos positivos e negativos, permitindo que os íons de lítio passem livremente no eletrólito, e ao mesmo tempo, o separador desempenha um papel vital para garantir a operação segura da bateria. .
Indústria de separador de bateria de lítio da China está na fase de rápido desenvolvimento, diafragma molhado tornou-se gradualmente a rota técnica mainstream, mas ao mesmo tempo o nível técnico global de diafragma doméstico e o nível de tecnologia de empresa internacional de primeira linha ainda é uma grande lacuna.
No campo do desenvolvimento de tecnologia, o diafragma poliolefina tradicional não pode atender a demanda atual de baterias de lítio, alta porosidade, alta resistência térmica, alto ponto de fusão, alta resistência, boa molhabilidade ao eletrólito é a direção de desenvolvimento futuro de baterias de iões de lítio.
Como material chave das baterias de lítio, o separador desempenha um papel de isolamento eletrônico, impedindo o contato direto entre os eletrodos positivos e negativos, permitindo que os íons de lítio passem livremente no eletrólito e desempenha um papel vital para garantir a operação segura da bateria.
Em casos especiais, como acidentes, furos, uso de bateria, etc., pode ocorrer dano parcial do diafragma, resultando em contato direto entre os eletrodos positivo e negativo, causando uma reação grave da bateria, fazendo com que a bateria exploda.
Portanto, a fim de melhorar a segurança da bateria de íons de lítio e garantir a operação segura e suave da bateria, o diafragma deve atender às seguintes condições:
1. Estabilidade química: Não reage com eletrólitos, materiais de eletrodo
2. Molhar: É fácil infiltrar-se com eletrólito e não estica, não encolhe
3. Estabilidade térmica: suportar alta temperatura, com alto isolamento de fusíveis
4. Resistência mecânica: boa resistência à tração para assegurar a força e a largura do enrolamento automático
5. Porosidade: Maior porosidade para atender às necessidades de condução iônica
Actualmente, os separadores de baterias de lítio disponíveis no mercado são principalmente separadores de poliolefinas microporosas à base de polietileno (PE) e polipropileno (PP), sendo estes separadores excelentes em propriedades mecânicas e excelentes em termos de baixo custo. Estabilidade química e estabilidade eletroquímica são amplamente utilizadas em separadores de bateria de lítio.
Contudo, devido à superfície liofóbica e à baixa energia superficial do próprio material de poliolefina, a permeabilidade do separador ao eletrólito é fraca, o que afeta o ciclo de vida da bateria.
Além disso, uma vez que a temperatura de distorção térmica de PE e PP é relativamente baixa (PE tem uma temperatura de distorção de calor de 80 a 85 ° C e PP é de 100 ° C), o separador pode sofrer forte retração de calor quando a temperatura é muito alta, portanto esses separadores não são adequados para ambientes de alta temperatura. Sob o uso, o diafragma tradicional de poliolefina não pode atender aos requisitos dos atuais produtos 3C e baterias de energia.
Em resposta às necessidades de desenvolvimento da tecnologia de baterias de íons de lítio, os pesquisadores desenvolveram vários novos materiais de baterias de íons de lítio baseados em separadores tradicionais de poliolefinas.
A membrana não tecida é orientada ou disposta aleatoriamente por um método não tecido para formar uma estrutura de teia e depois fortalecida quimicamente ou fisicamente para formar um filme, que tem boa permeabilidade ao gás e taxa de absorção de líquido.
Materiais naturais e materiais sintéticos têm sido amplamente utilizados na preparação de tecidos não-tecidos.Os materiais naturais incluem principalmente celulose e seus derivados.Os materiais sintéticos incluem tereftalato de polietileno (PET), fluoreto de polivinilideno (PVDF) e polipropileno. Vinilideno-hexafluoropropileno (PVDF-HFP), poliamida (PA), poliimida (PI), aramida (meta-aramida, PMIA; para-aramida PPTA), etc.
Tereftalato de polietileno
O tereftalato de polietileno (PET) é um material com excelentes propriedades mecânicas, propriedades termodinâmicas e propriedades de isolamento elétrico.O produto mais representativo dos separadores PET é baseado no separador PET desenvolvido pela Degussa, Alemanha. Filme compósito revestido de partículas, que apresenta excelente resistência ao calor, com uma temperatura de célula fechada de até 220 ° C.
Separador PET antes do ciclo de carga e descarga (a) após (b) imagem SEM
Xiangtan Universidade Xiaoqi Zhen et al. (2012) preparado por electrospinning membrana nanofibras PET, para criar um nanofibras membrana porosa tridimensional com uma estrutura de rede, tal como (b) na FIG diâmetro médio de fibra de 300 nm, e uma superfície lisa.
Eletrofiação PET é muito mais elevada do que o ponto do separador de filme de PE, de 255 graus de fusão.] C, um máximo de resistência à tracção 12Mpa, uma porosidade de 89%, a taxa de absorção de 500%, muito mais elevada do que a membrana Celgard no mercado, a condutividade iónica atinge dois 27 x 10-3Scm -1e o desempenho do ciclo também é melhor que o diafragma Celgard A estrutura de fibra porosa da membrana PET permanece estável após 50 ciclos da bateria, como mostrado em (a).
Poliimida
A poliimida (PI) também é um dos polímeros com boas propriedades abrangentes, possui excelente estabilidade térmica, alta porosidade e boa resistência a altas temperaturas, podendo ser utilizada a -200 ~ 300 ° C por um longo período de tempo.
Miao et al. (2013), utilizando um método de fiao electrostica para produzir uma membrana PI nanofibras, a temperatura de degradação do separador 500 ℃, Celgard separador 200 é mais elevado do que DEG convencional.] C, como mostrado abaixo, não ocorre o envelhecimento e calor encolhimento a 150 ° C.] As condições de alta temperatura C.
Em segundo lugar, devido à forte polaridade do PI, a molhabilidade do eletrólito é boa, e o separador fabricado exibe excelente taxa de absorção de líquido.O diafragma PI de eletrofiação tem menor impedância e maior impedância do que o diafragma Celgard. Taxa de desempenho, 0. 2C carga e descarga após 100 voltas, a taxa de retenção de capacidade ainda é de 100%.
(a) Celgard, PI 40 μm, 100 μm diafragma 150 ° C antes do tratamento (a, b, c) após (d, e, f) termoretricidade; (b) teste de aumento
Meta-aramida
PMIA é uma poliamida aromática com um ramo do tipo metabenzamida no seu esqueleto e uma resistência térmica de até 400 ° C. Devido ao seu alto retardamento de chama, o separador que usa este material pode melhorar a segurança da bateria.
Além disso, devido à polaridade relativamente alta do grupo carbonila, o separador tem uma maior molhabilidade no eletrólito, melhorando assim as propriedades eletroquímicas do separador.
Em geral, os separadores PMIA são fabricados por métodos não-trançados, como a eletrofiação, mas devido a problemas com membranas não tecidas, tais como grandes tamanhos de poros podem causar autodescarga, o que afeta a segurança e o desempenho eletroquímico da bateria. Até certo ponto, a aplicação de membranas não tecidas é limitada, e o método de inversão de fase tem perspectivas comerciais devido à sua versatilidade e controlabilidade.
SEM e distribuição de tamanho de poros do diafragma PMIA
A equipe de Zhu Baoku da Universidade de Zhejiang (2016) produziu um diafragma PMIA tipo esponja pelo método de inversão de fase, como mostrado na figura, a distribuição do tamanho dos poros está concentrada, 90% do diâmetro do poro está abaixo do mícron e a resistência à tração é 10.3Mpa.
PMIA método de membrana de inversão de fase produzido tendo excelente estabilidade térmica a temperaturas de até 400 ° C.] C ainda não há uma perda significativa de qualidade, sem separador encolhimento durante 1 h a 160 ℃.
Além disso, devido aos grupos funcionais fortemente polares, tais que o ângulo de contacto da PMIA membrana pequeno, apenas 11. 3 °, e a estrutura de esponja de tal modo que rápida pipetagem, melhorou a molhabilidade do separador, de tal modo que o tempo de activação da bateria é reduzida, a estável circulante longo Melhora sexual.
Além disso visto que a estrutura porosa da estrutura interior esponja PMIA membrana em comunicação uns com os outros, em que os iões de lítio transferir desobstruída, produzindo deste modo uma inversão de fase da condutividade iónica da membrana tão elevada como método 1. 51mS˙cm-1.
Benzobisazol de policarf enileno
Nova PBO polímero (benzobisoxazolo poliparafenileno) é que tem excelentes propriedades mecânicas, estabilidade térmica, fibras orgânicas de retardamento de chama que polímero de matriz é uma estrutura de cadeia linear, o seguinte em 650 ℃ Não se decompõe, tem ultra-alta resistência e módulo, é ideal para materiais de fibra resistentes ao calor e ao impacto.
superfície das fibras de PBO, devido à extremamente lisa, físico-químicas extremamente inerte, e, por conseguinte, mais difícil mudar fibra PBO morfologia. única dissolvido em 100% de ácido sulfúrico concentrado, ácido metanossulfónico, ácido fluorossulfónico e semelhantes, após fibra PBO condicionamento ácido vai em fibrilas descascados fora a partir do tronco, a sub-rede de formação a morfologia, a área de superfície específica e melhorar a resistência da ligação interfacial.
(a) fibrilas PBO, (b) estruturas de membrana de nanofibra PBO
Depois de formar o nanofibras Hao Xiaoming et al. (2016) foi dissolvido com um ácido metanossulfónico ácido fibrilas PBO misto e ácido trif luoroacético, preparado por inversão de fases membrana PBO nanoporoso, a morfologia das fibras que a FIG.
resistência final do diafragma até 525 MPa, mulo de 20 GPa de Young, a estabilidade térmica até 600 ℃, o ângulo de contacto do separador de 20 °, a menos de 45 ° Celgard2400 ângulo de contacto do separador, a condutividade iónica era 2. 3 × 10-4S · cm -1, Desempenho sob 0. 1C condições de ciclismo melhor do que o diafragma Celgard2400 comercial.
Uma vez que o processo de fabrico fibrilas mais difíceis PBO, a produção mundial de fibras PBO excelentes poucas empresas, e os monómeros são empregues de um modo para produzir a fibra tratamento PBO ácido necessário é difícil porque o separador de bateria de lítio aplicado no campo.
Universidade Hanyang YoungMooLee time (2016) com o IPH é poliimida (hidroxi) TR-PBO Nano partículas membrana compósita de fibra de nano preparados por rearranjo térmico maneira, excepto que a membrana inclui um material que tem uma alta força si PBO, alta resistência ao calor para as vantagens de distribuição, mais centralizado tamanho do poro, tamanho de poros mais pequenas, e não precisam ser preparados sob condições de ácido e alcalino.
