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新型耐高温耐火锂离子电池隔膜(优于商用聚丙烯电池隔膜)
本技术提供一种具有较佳的电解液浸润和吸附性能、均匀的孔隙分布、较快的离子传输和扩散能力、良好的热稳定性和阻燃性能的电池隔膜;在电化学测试评价中,无论在半电池还是全
技术介绍
技术编号:T2018050033
成熟度:生试阶段
来源地:中国
合作方式:技术入股、技术转让、技术许可
合作价格:面议
专利:有
交付形式:工艺
所属领域:机械电子、材料科技、能源电力

方案描述

技术详述

一、项目亮点

1.浸润性优高功率电池器件对隔膜浸润性的要求越来越高。本项目隔膜5秒之内电解液就完全被吸附进入隔膜内部。但是,采用商用聚丙烯电池隔膜,在隔膜表面滴加电解液90 秒后,电解液滴仍停留在隔膜表面,且具有约65 度的接触角。

2.高强度:本项目电池隔膜的抗张强度约为13MPa,大于商用聚丙烯隔膜在拔出孔方向上的力学强度

3.耐火性佳遇火不燃烧,商用聚丙烯电池隔膜遇火燃烧

4.耐高温商用聚丙烯电池隔膜的热收缩大,在150℃时变为透明失去隔膜作用,本项目在200℃也没有发生明显的形变和收缩。

5.测试效果采用本项目隔膜制作的锂离子电池,无论在半电池还是全电池测试中都显示出比商用聚丙烯电池隔膜电池更优越的循环稳定性和倍率特性。

6.市场关注相关研究成果受到国内外的广泛关注和大量报道,例如中央电视台CCTV1、CCTV4、CCTV13、CCTV证劵资讯、新华社网络电视台、“人民日报”、“光明日报”、“新华每日电讯”、“中国科学报”、“科技日报”、“解放军报“、“工人日报”、“解放日报”、“文汇报”、“香港文汇报”、“劳动报”等都做了报道。国外如Materials Today、ChemViews Magazine、Decoded Science、The American Ceramic Society、General Knowledge Today、“新加坡联合早报”等也都予以了报道,报道的语言包括英文、日文、韩文、波兰文等多种语言。

二、行业痛点

目前商品化的电池隔膜主要是聚烯烃类单层或多层复合隔膜。此类隔膜的优点是价格便宜,力学性能好,且具有较好的电化学稳定性。但是这类隔膜也存在着诸多不足之处,如:

(1)用作电池隔膜的聚烯烃类材料的结晶度高而极性小,但电解液中使用的是高极性有机溶剂,因此聚烯烃类隔膜对电解液的亲和性差,几乎不能被电解液所润湿,即电解液仅仅只是以液态的形式存在于隔膜的孔隙中,并不能得到有效的吸附,因此容易造成电解液的泄露和损失,进而影响电池的容量、倍率和循环寿命等电化学性能;(2)由于常温下没有合适的溶剂可以有效地溶解聚烯烃类材料,因此多采用熔融拉伸法来制备聚烯烃类材料多孔隔膜,拉伸法不仅对材料加工设备的要求高,而且因为要保证隔膜具有一定的力学强度,所以很难获得高孔隙率的隔膜(一般聚烯烃类隔膜的孔隙率小于60%),使得离子在聚烯烃类隔膜中无法进行快速的传输和扩散,导致电池的内阻大;

(3)聚烯烃类材料的耐高温性能较差(如,聚乙烯隔膜的熔点为130℃),在较高温度时容易收缩或熔融,导致正极和负极直接接触,造成电池短路,从而引发电池起火或爆炸等事故,电池的安全性存在隐患;

(4)聚烯烃类材料在生产过程中需要使用石化燃料作为原料,属于不可再生资源,不利于能源的可持续利用,而且聚烯烃类材料难以自然讲解,可能会造成环境污染;(5)随着电池的不断发展,电动汽车用电池、大容量可快速充放电电池以及一些需要在特殊环境下工作的特种电池(如高温环境)对隔膜材料的性能也提出了更高的要求,如较佳的电解液浸润性能和吸附性能、均匀的孔隙分布、较快的离子传输和扩散能力、良好的热稳定性和阻燃性能等。因此,发展新型高性能电池隔膜具有重要的应用价值和经济社会价值。

三、技术简介

针对现有聚烯烃类电池隔膜具有孔隙率低、对电解液浸润性差、热稳定性低等问题,本技术的目的在于提供一种具有较佳的电解液浸润和吸附性能、均匀的孔隙分布、较快的离子传输和扩散能力、良好的热稳定性和阻燃性能的电池隔膜,以提高电池隔膜的耐温性能和阻燃性能,改善隔膜对电解液的浸润和吸附性能,进而提高电池的性能和安全性。

力学特性是电池隔膜的一个重要参数。一种理想的电池隔膜要具备足够的力学强度来承受电池卷绕过程中所施加的应力,还应具有较高的柔韧性。从图1可以看出,新型耐高温耐火羟基磷灰石超长纳米线基锂离子电池隔膜具有高柔韧性,可以卷绕、弯折、甚至团曲都没有观察到明显的破损。另外,所制备的新型耐高温耐火羟基磷灰石超长纳米线基锂离子电池隔膜的抗张强度约为13 MPa(图2), 大于商用聚丙烯隔膜在拔出孔方向上的力学强度,可以满足实际的应用需求。

隔膜对电解液的浸润特性直接影响到电池的容量和倍率特性,尤其是高功率电池器件对隔膜浸润性的要求越来越高。从图3 中可以看出,新型耐高温耐火羟基磷灰石超长纳米线基锂离子电池隔膜在滴加电解液后5 秒之内电解液就完全被吸附进入隔膜内部。但是,采用商用聚丙烯电池隔膜,在隔膜表面滴加电解液90 秒后,电解液滴仍停留在隔膜表面,且具有约65 度的接触角。

图 4 为新型耐高温耐火羟基磷灰石超长纳米线基锂离子电池隔膜的耐火特性实验,从图中可以看出,新型耐高温耐火羟基磷灰石超长纳米线基锂离子电池隔膜在火焰中不燃烧,依然能够保持完整的结构,显示出优异的耐火特性。而商用聚丙烯电池隔膜在置于酒精灯火焰上之后迅速起火并烧成灰烬。图5 为新型耐高温耐火羟基磷灰石超长纳米线基锂离子电池隔膜的热稳定性实验,商用聚丙烯电池隔膜的热收缩大,在150℃ 时变为透明失去隔膜作用。而新型耐高温耐火羟基磷灰石超长纳米线基锂离子电池隔膜由于其高的热稳定性,即便是在200℃ 也没有发生明显的形变和收缩。

从图 6 和图7 中可以看出,采用新型耐高温耐火羟基磷灰石超长纳米线基隔膜制作的锂离子电池,无论在半电池还是全电池测试中都显示出比商用聚丙烯电池隔膜电池更优越的循环稳定性和倍率特性。分析其原因可能是由于新型耐高温耐火羟基磷灰石超长纳米线基电池隔膜具有高的孔隙率和良好的电解液浸润特性,有利于锂离子的快速传输和降低内阻。

图 8 为采用新型耐高温耐火羟基磷灰石超长纳米线基隔膜制作的电池在高温条件下的性能测试。由于新型耐高温耐火羟基磷灰石超长纳米线基隔膜具有高的热稳定性,使电池在150 ℃ 的高温条件下也能够正常工作。图8c 为采用新型耐高温耐火羟基磷灰石超长纳米线基隔膜和普通商用聚丙烯隔膜所组装的磷酸铁锂半电池的循环测试数据,采用新型耐高温耐火羟基磷灰石超长纳米线基隔膜的电池在150 ℃条件下可以正常工作,且具有较好的稳定性。而采用商用聚丙烯隔膜的电池在150 ℃ 条件下,由于其较大的热收缩,电池迅速短路而不能工作。图8e, f 为采用新型耐高温耐火羟基磷灰石超长纳米线基隔膜制作的电池在150℃ 的高温条件下点亮小灯泡的实验演示,进一步证实了这种新型耐高温耐火羟基磷灰石超长纳米线基隔膜优越的热稳定性,显示出其在高温环境下特种电池的应用潜力。

本研究工作所制备的新型耐高温耐火羟基磷灰石超长纳米线基电池隔膜具有良好的柔韧性,具有可以满足实用应用需求的力学强度性能,具有良好的电解液浸润特性和优良的耐火阻燃和高温热稳定性。在电化学测试评价中,无论在半电池还是全电池测试中都显示出优于商用聚丙烯隔膜的循环稳定性和倍率特性。另外,新型耐高温耐火羟基磷灰石超长纳米线基电池隔膜所具有的独特的耐高温和耐火阻燃特性可以很大程度上提高电池的安全性,并且大大提高电池工作的温度区间。

技术优势

目前,商品化的锂离子电池隔膜主要是聚烯烃类有机隔膜,优点是价格便宜、力学性能好、且具有较好的电化学稳定性;不足是孔隙率偏低,对电解液的润湿性差,热稳定性差,可能导致电池短路,严重时可引发起火或爆炸等事故,存在安全隐患。

新型羟基磷灰石超长纳米线基耐高温锂离子电池隔膜,该电池隔膜具有诸多优点,如柔韧性高、力学强度好、孔隙率高、电解液润湿和吸附性能优良、热稳定性高、耐高温、阻燃耐火,在700℃的高温下仍可保持其结构完整性。

采用新型羟基磷灰石超长纳米线基耐高温电池隔膜组装的电池,比采用聚丙烯隔膜组装的电池具有更好的电化学性能、循环稳定性和倍率性能。

更重要的是,采用羟基磷灰石超长纳米线基耐高温电池隔膜组装的电池具有优异的热稳定性,可耐高温,在150℃高温环境中能够保持正常工作状态,并点亮小灯泡;采用聚丙烯隔膜组装的电池在150℃高温下很快发生短路。如果采用该新型羟基磷灰石超长纳米线基耐高温电池隔膜,再匹配可耐高温的电解液和电极材料,可进一步大幅提高电池的工作温度和安全性。该研究工作对大幅提高锂离子电池的工作温度范围和锂离子电池的安全性具有重要意义。

 

 

效果指标

1.浸润性:5秒之内电解液就完全被吸附进入隔膜内部;

2.强度:抗张强度约为13MPa;

3.耐火性:遇火不燃烧;

4.耐高温在700℃的高温下仍可保持其结构完整性,200℃无明显的形变和收缩,150℃环境中能够保持正常工作状态,不发生短路。

适用对象

本技术适用于锂离子电池、钠离子电池、超级电容器、耐高温电池等储能体系的开发制造。

联系方式:0546-7051969


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