Perubahan yang dibawa oleh 4 bahan pemisah baterai lithium baru untuk baterai lithium
Sebagai bahan utama untuk baterai lithium, separator baterai memainkan peran dalam mengisolasi elektron,mencegah kontak langsung antara elektroda positif dan negatif dan memungkinkan ion lithium dalam elektrolit untuk melewati bebasPada saat yang sama, separator juga memainkan peran penting dalam memastikan operasi baterai yang aman. . industri pemisah baterai lithium di negara saya berada dalam tahap perkembangan yang cepat, dan pemisah basah secara bertahap telah menjadi rute teknis utama.masih ada kesenjangan besar antara tingkat teknis keseluruhan pemisah domestik dan tingkat teknis perusahaan tingkat pertama internasional.
Dalam bidang pengembangan teknologi, pemisah poliolefin tradisional tidak lagi dapat memenuhi kebutuhan saat ini dari baterai lithium.kekuatan tinggi, dan kelembaban yang baik untuk elektrolit adalah arah pengembangan baterai lithium-ion di masa depan.
Sebagai bahan utama untuk baterai lithium, separator memainkan peran dalam isolasi elektronik,mencegah kontak langsung antara elektroda positif dan negatif dan memungkinkan ion lithium dalam elektrolit untuk melewati bebasPada saat yang sama, separator juga memainkan peran penting dalam memastikan operasi baterai yang aman.
Dalam keadaan khusus, seperti kecelakaan, tusukan, penyalahgunaan baterai, dll., separator dapat rusak sebagian dan menyebabkan kontak langsung antara elektroda positif dan negatif,yang dapat memicu reaksi baterai yang keras dan menyebabkan baterai terbakar dan meledak.
Oleh karena itu, untuk meningkatkan keamanan baterai lithium-ion dan memastikan operasi baterai yang aman dan lancar, separator harus memenuhi kondisi berikut:
1Stabilitas kimia: tidak bereaksi dengan elektrolit dan bahan elektroda
2. Kelembaban: mudah dibasahi dengan elektrolit dan tidak meregangkan atau menyusut
3Stabilitas termal: tahan suhu tinggi dan memiliki isolasi sekering yang tinggi
4Kekuatan mekanik: kekuatan tarik yang baik untuk memastikan bahwa kekuatan dan lebar tetap tidak berubah selama penggulung otomatis
5Porositas: Porositas yang lebih tinggi untuk memenuhi kebutuhan konduktivitas ion
Saat ini, separator baterai lithium yang dikomersialkan di pasar terutama adalah separator poliolefin mikroporous berbasis polietilena (PE) dan polipropilena (PP).Jenis separator ini bergantung pada biaya rendahnya, sifat mekanik yang baik, dan sangat baik Hal ini banyak digunakan dalam separator baterai lithium karena kelebihannya seperti stabilitas kimia dan stabilitas elektrokimia.
Namun, karena permukaan lyophobic dan energi permukaan rendah dari bahan poliolefin itu sendiri, pemisah jenis ini memiliki kelembaban yang buruk untuk elektrolit, mempengaruhi umur siklus baterai.
Selain itu, karena suhu deformasi panas PE dan PP relatif rendah (suhu deformasi panas PE adalah 80-85 °C dan PP adalah 100 °C),pemisah akan mengalami penyusutan termal yang parah ketika suhu terlalu tinggi, sehingga jenis separator ini tidak cocok untuk digunakan di lingkungan suhu tinggi.pemisah poliolefin tradisional tidak dapat memenuhi persyaratan produk 3C dan baterai daya saat ini.
Menanggapi kebutuhan pengembangan teknologi baterai lithium-ion, para peneliti telah mengembangkan berbagai bahan pemisah baterai lithium baru berdasarkan pemisah poliolefin tradisional.Separator non tenunan menggunakan metode non tenunan untuk mengorientasikan atau mengatur serat secara acak untuk membentuk struktur mesh serat, dan kemudian menggunakan metode kimia atau fisik untuk memperkuat membran untuk membentuk film, sehingga memiliki permeabilitas udara yang baik dan tingkat penyerapan cairan.
Bahan alami dan bahan sintetis telah banyak digunakan dalam persiapan membran non-anyaman. Bahan alami terutama termasuk selulosa dan turunan.Bahan sintetis termasuk poliethylene terephthalate (PET), polivinylidene fluoride (PVDF), polivinylidene fluoride (PVDF), Vinylidene fluoride-hexafluoropropylene (PVDF-HFP), polyamide (PA), polyimide (PI), aramid (meta-aramid, PMIA; para-aramid PPTA), dll..
1
Polyethylene terephthalate
Polyethylene terephthalate (PET) adalah bahan dengan sifat mekanik, sifat termodinamika, dan sifat isolasi listrik yang sangat baik.Produk yang paling representatif dari pemisah PET adalah membran komposit yang dikembangkan oleh perusahaan Degussa Jerman, yang didasarkan pada pemisah PET dan dilapisi dengan partikel keramik.
Xiao Qizhen dari Universitas Xiangtan dan lain-lain (2012) menggunakan metode electrospinning untuk mempersiapkan pemisah nanofiber PET.Separator nanofiber yang diproduksi memiliki struktur jaringan berlubang tiga dimensi, diameter serat rata-rata adalah 300nm, dan permukaannya halus.
Titik leleh pemisah PET electrospun jauh lebih tinggi daripada film PE, yaitu 255°C, kekuatan tarik maksimum adalah 12Mpa, porositas mencapai 89%,tingkat penyerapan cairan mencapai 500%, yang jauh lebih tinggi daripada pemisah Celgard di pasar, dan konduktivitas ion mencapai 2,27 × 10-3Scm-1, dan kinerja siklus juga lebih baik daripada pemisah Celgard.Struktur serat berpori pemisah PET tetap stabil setelah 50 siklus siklus baterai, seperti yang ditunjukkan di (a).
2
Polyimide
Polyimide (PI) juga merupakan salah satu polimer dengan sifat komprehensif yang baik.dan dapat digunakan untuk waktu yang lama pada -200 sampai 300°C.
Miao et al. (2013) menggunakan electrospinning untuk membuat pemisah nanofiber PI. Suhu degradasi pemisah adalah 500 ° C, yang 200 ° C lebih tinggi daripada pemisah Celgard tradisional.Seperti yang ditunjukkan pada gambar di bawah ini, penuaan dan penyusutan termal tidak akan terjadi dalam kondisi suhu tinggi 150°C.
Kedua, karena polaritas PI yang kuat dan kelembaban yang baik terhadap elektrolit, separator yang diproduksi menunjukkan tingkat penyerapan cairan yang sangat baik.Separator PI yang dibuat dengan electrospinning memiliki impedansi yang lebih rendah dan kinerja kecepatan yang lebih tinggi daripada separator CelgardTingkat retensi kapasitas masih 100% setelah 100 siklus pengisian dan pelepasan pada 0,2C.
(a) Penyusutan panas pemisah Celgard, PI 40μm dan 100μm sebelum (a, b, c) dan setelah (d, e, f) perawatan pada 150°C; (b) Uji laju
3
meta-aramida
PMIA adalah poliamida aromatik dengan rantai bercabang meta-anilin pada kerangka dan memiliki ketahanan termal hingga 400 °C. Karena sifat tahan api yang tinggi,separator menggunakan bahan ini dapat meningkatkan kinerja keamanan baterai.
Selain itu, karena polaritas kelompok karbonil yang relatif tinggi, separator memiliki kelembaban yang lebih tinggi dalam elektrolit, sehingga meningkatkan sifat elektrokimia separator.
Secara umum, separator PMIA diproduksi dengan metode non-tekstil, seperti electrospinning.Self-discharge akan mempengaruhi kinerja keamanan dan kinerja elektrokimia bateraiHal ini membatasi aplikasi pemisah non-tekstil sampai batas tertentu, tetapi metode inversi fase memiliki prospek komersial karena fleksibilitas dan kontrol.
Tim Zhu Baoku dari Universitas Zhejiang (2016) memproduksi pemisah PMIA seperti spons melalui metode inversi fase, seperti yang ditunjukkan pada gambar.90% ukuran pori di bawah mikron, dan kekuatan tariknya setinggi 10,3Mpa.
Separator PMIA yang diproduksi dengan metode inversi fase memiliki stabilitas termal yang sangat baik.Separator tidak mengecil setelah diobati pada 160°C selama 1 jam.
Juga karena kelompok fungsional kutub yang kuat, sudut kontak pemisah PMIA kecil, hanya 11,3 ° dan struktur seperti spons memungkinkan untuk menyerap cairan dengan cepat,yang meningkatkan kinerja pembasmian pemisah, mengurangi waktu aktivasi baterai, dan menstabilkan siklus panjang.
Selain itu, karena struktur berlubang yang saling terhubung di dalam struktur seperti spons pemisah PMIA, ion lithium dapat ditransmisikan dengan lancar di dalamnya,Jadi konduktivitas ion pemisah yang diproduksi dengan metode inversi fase setinggi 1.51mS ̇ cm-1.
4
Polyparaphenylenebenzodiazole
Bahan polimer baru PBO (polyphenylenebenzodiazole) adalah serat organik dengan sifat mekanik yang sangat baik, stabilitas termal, dan tahan api.Matriksnya adalah polimer struktur rantai linier yang tidak terurai di bawah 650 °CIni memiliki kekuatan dan modulus yang sangat tinggi dan merupakan bahan serat tahan panas dan tahan benturan yang ideal.
Karena permukaan serat PBO sangat halus dan secara fisik dan kimiawi inert, morfologi serat sulit diubah. Serat PBO hanya larut dalam 100% asam sulfat pekat,asam metilsulfonat, asam fluorosulfonik, dll. Setelah mengikis asam yang kuat, fibril pada serat PBO akan lepas dari batang utama, membentuk morfologi filamen terbelah,yang meningkatkan rasio Luas permukaan dan kekuatan ikatan antarmuka.
(a) Fibril PBO; (b) Struktur membran nanofiber PBO
Hao Xiaoming et al. (2016) menggunakan asam campuran asam metanesulfonik dan asam trifluoroacetic untuk melarutkan fibril PBO untuk membentuk serat nano,dan kemudian disiapkan pemisah nanopor PBO melalui metode inversi fase.
Kekuatan akhir pemisah dapat mencapai 525Mpa, modulus Young adalah 20GPa, stabilitas termal dapat mencapai 600°C, sudut kontak pemisah adalah 20°,yang lebih kecil dari sudut kontak 45° dari pemisah Celgard2400, dan konduktivitas ion adalah 2.3 × 10-4S · cm-1, yang berkinerja lebih baik daripada pemisah Celgard2400 komersial di bawah kondisi siklus 0,1C.
Karena proses manufaktur fibril PBO yang sulit, hanya ada beberapa perusahaan di seluruh dunia yang memproduksi serat PBO berkualitas tinggi, dan semuanya menggunakan polimerisasi monomer.Serat PBO yang diproduksi membutuhkan perawatan asam yang kuat dan sulit diterapkan di bidang separator baterai lithium..
Tim YoungMooLee Universitas Hanyang (2016) menggunakan nanopartikel HPI (hydroxypolyimide) untuk mempersiapkan pemisah komposit nanofiber TR-PBO melalui penataan ulang termal.Selain kekuatan tinggi dan ketahanan panas tinggi dari bahan PBO itu sendiri, pemisah Selain keuntungan, distribusi ukuran pori lebih terkonsentrasi, ukuran pori lebih kecil, dan tidak perlu disiapkan di bawah kondisi asam dan alkali yang kuat.
