锂离子电池高安全复合隔膜的挑战和未来展望

隔膜作为锂电池的重要结构组成部分,起阻隔正负极接触、吸收并固定电解液、传递离子等关键作用。锂电池用商用隔膜面临高温热收缩等问题,影响电池的持久安全性。本文首先简要介绍了锂离子电池隔膜在孔隙结构、电解液润湿性、结构/热/化学/电化学稳定性以及隔膜-电解液相互作用等方面的要求,并通过对近期相关文献的探讨,重点综述了耐高温聚合物隔膜的研究进展;重点分析了高耐热聚合物基隔膜、阻燃添加剂涂敷隔膜和聚合物基底复合等策略对于阻燃多功能复合隔膜的改善机制;对于复合隔膜的锂枝晶抑制策略,主要介绍了物理阻隔锂枝晶生长、均匀化锂沉积和调控锂离子迁移通量三种方法。综合分析表明,通过减薄聚烯烃隔膜同时引入高性能薄涂层、掺杂固态电解质、开发高耐热聚合物基底隔膜等策略,有望在实现高安全性的同时获得高离子电导率。

高性能PPS网基PSF-ZrO_(2)复合隔膜的制备及其性能研究

聚苯硫醚(PPS)网基聚砜(PSF)-氧化锆(ZrO_(2))复合隔膜作为一种新型的高性能碱性水电解制氢隔膜,具有良好机械性能、低面电阻和高化学稳定性等优点。采用预热压成型和浸没沉淀相转换法制备出复合隔膜,研究了铸膜液中PSF、ZrO_(2)纳米颗粒、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)含量对隔膜性能的影响。分析比较了复合隔膜(命名为PPZS)和商业化Zirfon UTP 500隔膜的性能。结果显示PPZS复合隔膜的抗拉强度达到36.36 MPa,面电阻达到0.21Ω·cm^(2),泡点压力达到0.268 MPa,表现出优异的碱性水电解制氢综合性能。

孔结构对碱性电解水制氢复合隔膜的应用影响

通过浸没沉淀相转化法制备了两种结构形式的碱性电解水制氢有机/无机复合隔膜,即断面海绵状孔结构和指状孔结构。研究了两种孔结构对碱性电解水制氢隔膜的应用影响,通过评价两种孔结构隔膜的综合性能,包括阻气性、面电阻、机械性能和耐腐蚀性。结果表明:此两种结构形式的隔膜泡点(约0.335MPa)和抗拉强度(约28.52N/mm^(2))接近,但海绵状孔结构的隔膜具有更低的面电阻0.21Ω/cm^(2)和更优异的机械性能,经过耐磨和耐压后泡点降低幅度小,阻气性更高,而断面指状孔结构的隔膜面电阻0.25Ω/cm^(2),经过耐磨和耐压后泡点降低幅度较大,可以推断出两种结构形式的隔膜阻气方式有所不同,海绵状孔结构隔膜整体结构具有阻气效果,而指状孔结构隔膜主要靠致密皮层阻气,皮层损坏则失去阻气效果。另外,两种结构的复合隔膜耐碱腐蚀性相差较大,断面指状孔结构的隔膜经过长期高温碱液浸表面致密层消失,无阻气性。通过对比两种不同结构隔膜的性能,海绵状孔结构的隔膜综合性能更加优异,更适合碱性电解水制氢设备。

锂离子电池用勃姆石/PP复合隔膜

为提高锂离子电池隔膜的热安全性,研究勃姆石(γ-AlOOH)/聚丙烯(PP)复合隔膜的性能。以不同粒径的勃姆石粉为涂覆材料、聚偏二氟乙烯(PVDF)为黏结剂、9μm厚的PP隔膜为基底,制得B1(D_(50)=0.741μm)、B2(D_(50)=1.172μm)两种复合隔膜。勃姆石/PP复合隔膜的综合性能比PP隔膜更好。PP隔膜在140℃下的收缩率超过57%,而B1复合隔膜小于3%,并在180℃下保持完整;复合隔膜的拉伸、穿刺强度均优于PP隔膜,B1复合隔膜拉伸强度较PP隔膜提高18.8%,B2复合隔膜穿刺强度较PP隔膜提高54.4%;复合隔膜的电解液润湿性良好,B2复合隔膜30 s后完全润湿,而PP隔膜润湿面积小于1/2;B2复合隔膜组装的电池内阻增大8.7%,但循环伏安(CV)测试显示,电池内部反应未受影响。

锂电池电源新型复合隔膜的研制

重要赛事场馆备用电源是保障赛事顺利进行的重要设备,锂电池作为当前电力储备的关键模块,在重大赛事场馆备用电源系统建筑中应用十分广泛。隔膜材料是锂电池的关键部件,关系到电池性能的发挥。因此,本文制备一种锂电池应用的新型复合隔膜,并检测隔膜性能。结果表明:E-Li与有机蒙脱土之间形成了新的化学键,构成了交联结构,相比其他两种隔膜,新型复合隔膜的力学性能有大幅度提升;孔隙率和吸液率得到提升。电化学测试可知,新型复合隔膜能够有效降低的界面阻抗和内阻,0.1C倍率100次循环后仍有较高的容量保留率,且倍率性能优异。

溶剂型多层复合隔膜的制备及其性能研究

将聚偏氟乙烯(PVDF)粉末和陶瓷氧化铝(Al_(2)O_(3))加入到二甲基乙酰胺(DMAC),进行高速分散,得到陶瓷/PVDF涂布液。采用陶瓷膜为基材,在其双面均匀涂覆陶瓷/PVDF涂布液,通过浸渍相反转的方法得到陶瓷混胶隔膜。与传统的商用陶瓷涂胶膜相比,PVDF凝胶层中加入无机陶瓷颗粒和丙烯酸酯类黏合剂,既能提高复合隔膜的正极黏结性能、热稳定性及离子传导性,降低复合隔膜的热收缩率,又能有效提高复合隔膜层间的剥离强度,降低复合隔膜的材料成本,复合隔膜具有综合性能表现,进而可提升锂电池的使用性能。复合隔膜剥离强度为125 N/m,是同等类型陶瓷涂胶膜的5倍。黏接强度由陶瓷膜的0.1 N/m提升至11.3 N/m,吸液率由85%提升至108%,提高了27%。溶剂型多层复合隔膜均通过全面的试验验证,并成功侧应用到锂电池产品中。

锌银贮备电池复合隔膜的性能

为满足锌银贮备电池15 s快速激活和湿搁置24 h的性能要求,利用未经处理的水化纤维素膜、处理的水化纤维素膜、水化纤维素纸①、水化纤维素纸②和微孔膜等,组合成不同形式的2层、3层复合隔膜,研究单体电池的激活及湿搁置性能,利用组合电池开展验证实验。由微孔膜、水化纤维素纸①、水化纤维素纸②组合成的复合隔膜组装电池性能较好,满足快速激活及湿搁置容量衰减率低的要求。

基于负极支撑型复合隔膜的高安全锂离子电池

锂离子电池热失控的情况近年来多有发生,严重制约了其未来发展。隔膜作为电池基础材料之一,对电池安全性能有重要影响。传统的聚丙烯(PP)/聚乙烯(PE)隔膜熔点低,会在高温下发生变形或融化,引发大面积内短路。研究了负极支撑型SiO_(2)/聚乙烯醇(PVA)/聚氧化乙烯(PEO)复合隔膜,通过对粘结剂PVA/PEO配比的优化,在实验室与中试产线上均制备出复合隔膜,其厚度仅有14μm,在400℃下不发生形变,显著提高了电池热滥用与机械滥用时的安全性能。电池循环性能稳定,300次循环后容量保持率可达99%,且在-20~-40℃的极低温环境下,展现出比常规电池更高的容量保持率。

原纤化PBO纤维耐高温复合隔膜的制备

隔膜对锂离子电池安全性能有着重要影响。为了提高隔膜的耐热性能,采用湿法成型技术,使用聚对苯撑苯并二噁唑(PBO)原纤化纤维和聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)无纺布作为原料,制备了一种耐高温的双层复合隔膜(PET/PBO)。差示扫描量热法(DSC)和热尺寸收缩实验证明,PET/PBO复合膜与商用PP隔膜Celgard 2500相比具有更出色的热稳定性,225℃下尺寸收缩仅2.5%;湿法成型工艺又赋予隔膜更高的孔隙率,可达70%;PBO面与电解液接触角仅为14°,具有良好的电解液浸润性;充放电实验证明,PET/PBO隔膜组装的电池有着良好的循坏和倍率性能。表明该复合膜是高性能锂离子电池隔膜的理想候选者。

新型锂电池用复合隔膜的制备及其电化学性能表征

利用浸渍法在聚丙烯微孔膜(Celgard2400)表面涂覆掺有纳米二氧化硅的聚氧乙烯(PEO),制备了新型锂电池用复合隔膜.采用交流阻抗法、扣式电池充放电等实验技术测试了复合隔膜的电化学性能.

锂离子电池用聚烯烃复合隔膜材质及薄膜厚度的检测

复合隔膜的材料种类及结构尺寸已成为了产品质量检验、锂离子电池失效分析中关注的对象,通过对聚丙烯/聚乙烯/聚丙烯(PP/PE/PP)复合隔膜进行叠折、压实、切割后获得了规整、无变形的横截面,采用偏光显微镜、激光共聚焦显微拉曼光谱仪对复合隔膜的横截面进行了分析,鉴别了隔膜的类型(单层或多层),并测定了每层薄膜的厚度、材质。结果显示,PP、PE、PP薄膜厚度分别为7.71、5.34、6.68μm,隔膜总厚度为19.73μm,测量值与理论真值的偏差不大于2%,且各薄膜的材质可以通过激光共聚焦显微拉曼光谱实现鉴别。采用同步热分析仪对复合隔膜的熔融温度及热焓进行了测定,结果显示聚乙烯的熔融温度为134℃,热焓大约为179~187 J/g。结合聚乙烯熔融温度与结晶度的递增关系或热焓与结晶度的线性关系,从而进一步明确了复合隔膜中聚乙烯的密度类型。

热电池用氮化硼纤维基复合隔膜的研制及性能研究

以氮化硼纤维平纹布为载体,用前驱体转化法在平纹布内部均匀复合纳米氧化镁颗粒,制备出了氮化硼纤维基复合隔膜。用SEM、厚度测试、热处理、TG-DSC、电解液吸附能力测试等手段研究了复合隔膜的结构、稳定性及电解液吸附能力。研究表明:所制备的复合隔膜结构致密,厚度为300μm左右,内部均匀复合纳米氧化镁颗粒,具有良好的高温稳定性能。复合处理工艺能够显著提高隔膜的电解液吸附能力和保持能力,电解液吸附率达160%以上。

用于锂离子电池的复合隔膜

为改善锂离子电池隔膜的耐热安全性,对用于锂离子电池的ZrTiO4/PP陶瓷聚烯烃复合隔膜进行了开发研究,得到的复合膜具有高的多孔性和良好的液体电解液湿润性。膜中陶瓷具有两性特征,将电解液中的酸性副产物HF消耗掉,而HF作为现在锂离子电池所用电解液中的副产物不可避免。复合膜用于制备锂离子电池不仅具有优良的容量保持性、高温安全性,且显示出良好的倍率放电性。

新型橡塑复合隔膜的研制

介绍了新型复合隔膜的结构、技术要求,以及橡塑复合隔膜用橡胶材料和聚四氟乙烯薄膜的表面活化及织物的处理技术,并叙述了橡塑复合隔膜研制的工艺流程,对制造过程中产品出现的褶皱现象进行了分析,通过技术改进,研制出符合使用要求的产品。

PAN/PVDF/PAN锂电复合隔膜的制备及其电化学性能

针对离子电池中商业聚烯烃隔膜存在着润湿性差和热稳定性低的问题,利用电纺技术设计并制备了一种具有三层复合结构的聚丙烯腈/聚偏氟乙烯/聚丙烯腈(PAN/PVDF/PAN)静电纺丝纳米纤维膜;通过扫描电镜、差示扫面量热仪,纤维强力仪、表面接触角测量仪及吸液性能测试对PAN/PVDF/PAN复合电纺膜的表面形貌、热性能、力学性能及吸液性能进行表征;将该复合膜组装了锂离子电池,测量了电池的电化学性能。结果表明:所制备的复合纤维膜断裂强度达到16.5 MPa,吸液率为250%,孔隙率为52%,离子电导率为0.92 mS/cm;与商业聚烯烃隔膜相比,具有较好的浸润性能和热稳定性,所组装的电池也具有较好的充放电性能和电容保持率。

泵阀用橡胶氟塑料复合隔膜的制造与应用

橡胶氟塑料复合隔膜具有强度高、弹性好、耐腐蚀、耐曲挠疲劳、工作灵敏度高等特性,是通用机械泵、阀门中广为应用的重要部件;从材料的选择与制造、复合工艺方面详细介绍了该产品的制造、结构示例与应用。

镍电解冶金复合隔膜中添加剂对隔膜性能的影响

本项目研究了镍电解复合隔膜制备过程中,高分子添加剂PEG的种类、和非溶剂添加剂甲醇的浓度等因素对镍电解复合隔膜性能的影响,找出了这些因素和镍电解复合隔膜性能之间的关系,同时也研究了蒸发时间、热处理温度对膜性能的影响。研究表明,非溶剂添加剂甲醇浓度和隔膜的透液速率和鼓泡孔径成正相关,PEG分子量和隔膜的透液速率和鼓泡孔径成正相关,蒸发时间应控制在5min以内,热处理温度与透液速率和鼓泡孔径成负相关。

微孔复合隔膜在镍电解中的实验研究

介绍了微孔复合隔膜在镍电解中的应用,在pH值为4.5-4.8,电解液比重为1.175-1.180 g.cm-3,电流强度为4.5-5.0 A,液位差为50 mm的条件下,以复合隔膜和棉隔膜作对比进行了4个月的连续运行试验。试验结果表明,复合隔膜比棉隔膜的使用寿命长,电解后微孔复合隔膜的性能指标比棉隔膜稳定,透水率2.5×10^2（ml.cm-2.min-1）,最大孔径4.5μm,平均孔径2.0μm,膜比电阻1600Ω.cm-1左右,而且套有复合隔膜的阴极板上沉积镍的速率远大于套有棉隔膜的阴极板,达到5 g.d-1。复合隔膜材料的耐酸、耐温,具有良好的化学稳定性和抗氧化性能。

纳米硫酸钡改性复合隔膜的性能

以聚酰亚胺（PI）为粘结剂,将混有纳米硫酸钡（BaSO4）颗粒的浆料涂覆于Celgard 2325膜的表面,制成复合隔膜。通过SEM、热收缩、交流阻抗及充放电实验等测试,研究复合膜的结构、热尺寸稳定性及电化学性能。纳米BaSO4涂层可提高热尺寸稳定性,提高对电解液的吸液率,降低界面阻抗,150℃时复合隔膜的热收缩率低于3%。复合隔膜组装的锂离子电池以0.5 C充电、1.0 C放电在2.75-4.20 V循环95次,容量保持率在90%以上。

长寿命及高功率锂离子电池用多孔石墨烯/聚偏氟乙烯功能层复合隔膜

隔膜是锂离子电池的重要组成部分,对隔膜进行材料及结构的优化可以提高锂离子电池的性能。通过在普通商用聚丙烯(PP)隔膜表面构建多孔石墨烯/聚偏氟乙烯功能层的方式获得了复合隔膜材料,通过涂布及常温液相处理的方法调控涂层的孔隙结构,使复合隔膜对电解液的吸附性能明显提高,功能层使复合隔膜具有优异的离子透过性和单侧(石墨烯层)导电性。与采用普通聚丙烯隔膜相比,功能层复合隔膜在低倍率(0.5 C)下的电极材料容量发挥相当。而在高倍率(5 C)下,功能层复合隔膜下,电池容量发挥非常突出,并且600次循环后的容量保持率接近100%,而采用常规PP隔膜,电池材料则容量快速衰减失效。