陶瓷隔膜对锂离子电池热失控影响及电池设计优化分析

本文主要研究了以聚乙烯(PE)材质为基膜、陶瓷为涂层的五种不同厚度及双面涂层的复合隔膜的表面形态、拉伸强度、穿刺强度等性能。并选择其中三款隔膜制成大容量铝壳电池进行热失控试验。研究发现,不同涂覆厚度的陶瓷涂层隔膜表面涂层致密,颗粒粒径分布范围较宽,形貌、大小相近;拉伸强度及穿刺强度方面,基膜为12μm的陶瓷隔膜不同涂覆厚度没有明显差异,并且同等厚度基膜单面涂覆和双面涂覆无明显差异;相同测试条件下,隔膜的热收缩率是(12+2+2)μm、(12+1.5+1.5)μm<(12+4)μm<(12+3)μm<(12+2)μm。采用(12+2)μm、(12+4)μm隔膜生产的电池测试发生热失控时的SOC分别为116.94%、117.64%,电池最高温度分别为530.9℃、430.7℃。实验表明陶瓷涂层厚度越大电池发生热失控的时间越迟,最高温度越低。此外,双面涂层隔膜(12+2+2)μm制成的电池发生热失控是在过充结束后的加热工步,最高温度仅为369.5℃。针对实验所产生的现象进行了分析,对电池的设计优化方向做了一些思考,指出了隔膜宽度方向超出负极极片、负极极片长度和宽度方向超出正极极片之外的部分(Overhang)的设计对于电池的安全是极其重要的,电池在设计时需要充分评估使用场景和极端条件的影响,结合选择的隔膜的热收缩率的大小,核算隔膜的收缩比例,确保Overhang的设计是满足电池全寿命周期安全需求。

陶瓷隔膜对锂离子电池低温性能的影响

以普通聚烯烃隔膜为空白样,对比干法和湿法聚烯烃基材制备的陶瓷隔膜的本征性能,包括透气度、微观形貌、孔隙率和离子电导率等。干法陶瓷隔膜、湿法陶瓷隔膜和普通隔膜的透气度分别为168 s/100 ml、224 s/100 ml和555 s/100 ml,离子电导率分别为1. 115 m S/cm、0. 735 m S/cm和0. 467 m S/cm。分别用3种隔膜制备容量4. 5 Ah、比能量233 Wh/kg的软包装锂离子电池。在-40℃下,以4. 0 C连续放电,干法陶瓷隔膜、湿法陶瓷隔膜以及普通隔膜软包装试验电池的容量保持率分别是额定容量的81. 8%、62. 6%和51. 1%。与普通聚烯烃隔膜相比,陶瓷隔膜可提高锂离子电池在超低温(-40℃)下的倍率性能。以干法聚烯烃膜为基材的陶瓷隔膜对电池超低温倍率性能的增效作用,高于以湿法聚烯烃膜为基膜的陶瓷隔膜。

陶瓷隔膜对于LiNi_(0.8)Co_(0.15)Al_(0.05)O_2动力锂离子电池性能的影响

本文以普通聚烯烃隔膜作为对比,研究了不同工艺的聚烯烃基膜制作的陶瓷隔膜对于Li Ni0.8Co0.15Al0.05O2动力锂离子电池性能的影响。表征了三种隔膜的本征性能,包括微孔形貌、透气度和离子电导率。干法基膜陶瓷隔膜、湿法基膜陶瓷隔膜和普通聚烯烃隔膜的透气度值分别为165 sec/100 m L、200 sec/100 m L和520 sec/100 m L;离子电导率分别为0.952 m S/cm^2、0.703 m S/cm^2和0.622mS/cm^2。分别采用三种隔膜制作了容量为2 A·h的软包装电池,评估了电池的倍率性能、循环寿命以及荷电保持能力。结果发现,与普通聚烯烃隔膜相比,陶瓷隔膜可以提高电池的功率性能,并且干法聚烯烃基膜制作的陶瓷隔膜,其倍率增效作用较湿法基膜的陶瓷隔膜明显,尤其当放电倍率达到电池的设计极限时,干法聚烯烃基膜制作的陶瓷隔膜对于电池倍率性能的增效作用更加显著。

PET基陶瓷隔膜的制备及性能研究

以聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物(PVDF-HFP)为粘结剂,用浸涂法在对苯二甲酸乙二醇酯(PET)隔膜上同时涂覆不同粒径的SiO_2和Al_2O_3,使PET的大孔得到更有效的填充,充分发挥了两种陶瓷及其粒径的各自优势。系统考察了SiO_2与Al_2O_3相对含量对陶瓷隔膜的表面形貌、孔隙率、吸液率、热稳定性、离子电导率和电化学阻抗谱(EIS)的影响。研究了SiO_2/Al_2O_3为3/7(wt%)的陶瓷隔膜组装成MCMB/Li Ni1/3Co1/3Mn1/3O2电池的电化学性能,并与商业聚丙烯(PP)隔膜对比。结果表明:该陶瓷隔膜具有更好的综合性能,100次循环后的容量保持率为93.9%,10C电流下仍具有82.7 m Ah/g的容量,优于商业PP隔膜。

陶瓷隔膜锂电池制备及低温性能监测

以常见的聚烯烃隔膜为例,分别研究通过湿法、干法两种途径制备而成的聚烯烃陶瓷隔膜的物理特性。以上述三种隔膜为材料制备比能量233 Wh/kg、容量4.5 Ah的无人机软包锂电池。实验证明,在温度低于-40℃的条件下4.0 C放电,普通隔膜、湿法制陶瓷隔膜、干法制陶瓷隔膜三种软包电池可用容量分别为最高容量的51.1%、62.6%、81.8%。相较于普通的聚烯烃材料隔膜,在超低温(低于-40℃)条件下,陶瓷隔膜能够使锂电池的倍率性能获得大幅提高。对于强化锂电池在超低温环境下的倍率性能,干法制备的聚烯烃材料陶瓷隔膜要比湿法制备的隔膜具有更高的能力。装机实验结果可知,干法制备的聚烯烃材料陶瓷隔膜的锂电池,在低温下的高倍放电性能更佳,无人机加速攀升续航时间更长。

锂离子电池陶瓷隔膜研究进展

陶瓷改性隔膜在吸液性、耐高温性和电池电性能等方面都较传统隔膜有很大改善。综述了锂离子电池隔膜的技术现状和几类改性陶瓷隔膜的研究进展,并对未来锂离子电池隔膜的发展方向做出展望。

锂离子电池陶瓷隔膜热收缩的影响因素研究

本文讨论了氧化铝颗粒的粒度、形貌、粘合剂的种类、用量、成膜助剂的选择及陶瓷涂层的厚度对锂离子电池陶瓷涂覆膜的热收缩性能的影响。通过改变各因素中的具体参数,得出了各参数对陶瓷涂覆膜热收缩性能的影响趋势,并对氧化铝颗粒堆积密度、预成膜和涂层支撑强度与基膜热收缩应力之间的关系等进一步的影响因子进行了讨论。

锂离子电池PET/TENCEL无纺布陶瓷隔膜研究

采用湿法抄造和浸渍涂布工艺制备锂离子电池PET/TENCEL无纺布陶瓷隔膜,并采用孔径分析、热失重分析、热烘箱试验、扫描电镜和电池充放电循环性能检测等方式表征隔膜性能和电池性能。结果表明:当基材组份为50%(wt,质量分数,下同)PET纤维、30%TENCEL纤维和20%Al2O3粉,基材定量和陶瓷涂布量均为15g/m2时,所制备SP-1无纺布陶瓷隔膜的孔隙率和孔径分别为45.8%和0.07μm,且在210℃和1h条件下不发生热收缩;在1C充放电循环50次条件下,使用SP-1隔膜的锂离子电池容量保持率为83.4%,优于PE隔膜。

LAGP陶瓷隔膜与Celgard隔膜锂硫电池充放电性能对比研究

设计并制备了一种使用LAGP陶瓷作为隔膜的锂硫电池,并进行了电化学测试。比较了使用普通Celgard隔膜电池与使用陶瓷隔膜电池充放电性能的不同。结果表明,使用陶瓷隔膜的锂硫电池充放电效率维持在100%,但电池极化现象严重。从理论角度分析了导致陶瓷隔膜锂硫电池与Celgard隔膜锂硫电池充放电性能不同的原因。

LiF添加剂改善含锂陶瓷隔膜与4.35 V LiNi_(0.8)Co_(0.1)Mn_(0.1)O_(2)正极的界面稳定性

锂离子电池用LiNi_(0.8)Co_(0.1)Mn_(0.1)O_(2)(NCM811)正极,具有较高比容量和较低成本的优点,但是其在高电压长循环时正极界面极不稳定、安全性能亟待提高。虽然锂快离子导体Li1.2Ca0.1Zr1.9(PO4)3制备的陶瓷隔膜在很大程度上可以解决电池的安全性问题,但是与NCM811正极界面稳定性差。本工作通过在陶瓷隔膜中添加具有稳定界面功能的氟化锂(LiF)的方法来解决此问题。采用扫描电子显微镜(SEM)、热重分析(TGA)、差示扫描量热法(DSC)、机械拉伸强度、热收缩、吸液率、电化学阻抗谱(EIS)、线性扫描伏安法(LSV)和充放电测试等方法进行表征。结果表明,当LiF占涂覆无机陶瓷颗粒总质量的10%时,得到的陶瓷隔膜性能最佳:具有良好的离子传输性能(室温离子电导率提高至9.5×10^(-4)S/cm)和最佳的界面稳定性。隔膜组装的Li||LiNi_(0.8)Co_(0.1)Ni_(0.1)O_(2)扣式电池在3.0~4.35 V的高电压范围以0.3 C倍率循环400次后,放电比容量从195.2 mAh/g减少到119.9 mAh/g,保持初始容量的61.4%,而没有添加LiF的陶瓷隔膜电池仅为32.7%。含LiF的陶瓷隔膜提升电池循环稳定性的原因是形成了高质量的高压正极/电解质界面膜,稳定了正极与陶瓷隔膜的界面,使正极材料在高电压下仍能保持结构的稳定。因此,本工作制备的陶瓷隔膜为NCM811正极在高电压锂离子电池中的商业化应用提供了一种便捷方法。

干法和湿法陶瓷隔膜对LiCoO_(2)/C电池性能的影响

隔膜对锂离子电池的电性能、安全性能等有重要的影响。以湿法和干法聚烯烃隔膜为基底,涂覆Al_(2)O_(3)纳米陶瓷粉末,制备两种陶瓷隔膜,并对物理特性及组装电池的电性能进行分析。以湿法和干法聚烯烃隔膜为基底的陶瓷隔膜,孔隙率分别为56.2%和46.9%,透气度分别为134.0 s/100 ml和244.3 s/100 ml,吸液率分别为3.81 mg/cm^(2)和2.89 mg/cm^(2);组装的电池20.00 C与1.00 C容量之比分别为97.80%和90.08%,50.00 C与1.00 C容量之比分别为30.86%和25.53%,以1.00 C在2.5~4.2 V循环300次的容量保持率分别为91.45%和88.31%。以湿法聚烯烃隔膜为基底的陶瓷隔膜的性能更好。

陶瓷隔膜对LiNi_(0.8)Co_(0.15)Al_(0.05)O_(2)/C电池性能的影响

以聚丙烯(PP)/聚乙烯(PE)/PP复合隔膜为基膜,研究单面涂覆陶瓷层(12μm干法基膜+4μm单面陶瓷层)和双面涂覆陶瓷层(12μm干法基膜+2μm双面陶瓷层)制作的陶瓷隔膜对LiNi_(0.8)Co_(0.15)Al_(0.05)O_(2)/C体系锂离子电池性能的影响。用SEM、电化学阻抗谱(EIS)测试分析隔膜的微孔形貌、透气度和离子电导率。复合隔膜、单面涂覆和双面涂覆隔膜的透气度分别为501 s/100 ml、220 s/100 ml和175 s/100 ml;离子电导率分别为0.115 mS/cm^(2)、0.312 mS/cm^(2)和0.385 mS/cm^(2)。用3种隔膜制作锂离子电池,评估内阻、倍率性能、循环性能及贮存性能。涂覆陶瓷隔膜具有更高的吸液率、更低的内阻和更高的离子电导率,因此电池具有更好的倍率性能和循环性能,且双面涂覆陶瓷隔膜的性能更佳。

陶瓷隔膜在镍钴锰酸锂/石墨锂离子电池中性能

陶瓷隔膜广泛应用在动力锂离子电池中,直接影响到电池的电性能。选取了6种商品化的聚对苯二甲酸乙二酯(PET)/陶瓷复合膜和聚烯烃/陶瓷复合膜,研究了其表面形貌、接触角、透气度和吸液率。并选用这6种隔膜制作了容量为2A·h的镍钴锰酸锂/石墨软包锂离子电池,考察电池的内阻、自放电、容量、阻抗、倍率性能、循环寿命和高温浮充。结果表明,使用涂覆的陶瓷颗粒直径较小且均匀(0.2~0.5μm),高吸液率(2.0mg·cm^-2),低透气度[72s·(100mL)^-1]和较小内阻(4.65mΩ)的2号PET/陶瓷复合膜的锂离子电池综合性能最好,10C的高倍率下容量高达1C的94.9%,5C的大倍率循环500次后容量保持率高达102%,65°C高温浮充1000h后容量保持在初始的90.4%。

锂离子电池陶瓷隔膜的热降解行为

研究了锂离子电池陶瓷隔膜的热稳定性及热降解动力学,采用热重分析法,在氮气气氛中,升温速率分别为5、10、20和30℃/min的条件下,利用Kissinger、Flynn-Wall-Ozawa、Friedman和Modified Coats-Redfern方法对隔膜的非等温热分解动力学数据进行了分析。TG曲线显示隔膜分解率达到10%和15%时,最低热降解温度分别为424.5和431.5℃;隔膜的热降解为一步法,分解的温度区间为350～520℃,热分解的表观活化能为205.25 kJ/mol。分解率达到1.0%、2.0%和5.0%时,隔膜的最低分解温度分别为354.7、377.9和409.2℃;最大转化率为68.39%,对应最低分解温度为474.4℃,而残余碳化物及氧化铝为31.61%。

锂离子电池陶瓷隔膜用水性粘合剂的合成研究

以聚合物多元醇、异氟尔酮二异氰酸酯、二羟甲基丙酸和混合丙烯酸酯为主要原料,采用无溶剂预聚体法和丙烯酸酯溶胀聚合的方法,合成具有核壳结构的丙烯酸酯改性水性聚氨酯陶瓷隔膜粘合剂。研究了R值、亲水扩链剂用量、聚合物多元醇种类、聚合物多元醇分子量、PA单体比例、PA玻璃化转变温度对粘合剂性能的影响。结果表明:采用R值为1.2,亲水扩链剂用量为7%,分子量为2000的半结晶型聚酯二元醇,核层聚丙烯酸酯Tg点为40℃,且比例为20%时,合成的陶瓷隔膜粘合剂具有最佳应用性能。采用了纳米粒度仪对乳胶颗粒进行分析,表明采用此工艺合成的的乳胶颗粒为核壳结构。

高耐热陶瓷隔膜对锂离子电池安全性能的影响

相对于传统聚烯烃隔膜,陶瓷隔膜因其良好的耐热收缩性能得到大规模商业化应用。选择两款不同类型的黏结剂制备陶瓷隔膜。首先考察黏结剂对陶瓷隔膜性能的影响,然后研究陶瓷隔膜耐热收缩性能与电池安全性能之间的关联性。研究发现,陶瓷隔膜的耐热收缩性能与黏结剂的玻璃化转变温度正相关。电池过充电和加热安全性能测试结果表明,高耐热陶瓷隔膜有助于降低发生热失控的风险。

陶瓷复合锂离子电池隔膜研究进展

相对于传统锂离子电池隔膜,有机-无机陶瓷复合隔膜兼具有机材料的柔韧性、无机材料的耐温性和电解液亲和性。本文对锂离子电池用陶瓷复合隔膜进行综述,首先介绍了此类隔膜相对于传统隔膜的优势,其次对目前研究的陶瓷锂离子电池隔膜的结构形式和主要成膜材料进行了讨论,并介绍了国内外主要公司的陶瓷复合隔膜的研究和发展现状,最后对陶瓷复合隔膜的应用前景和面临的挑战进行了简要分析。鉴于该新型隔膜的优势,随着锂离子电池在高端电子产品以及动力、储能等新兴领域的发展,高安全性陶瓷复合锂离子电池隔膜必将代替传统的聚烯烃隔膜,成为主流隔膜满足人们的需要。

相转化法制备陶瓷涂层改性锂离子电池隔膜

以聚乙烯(PE)隔膜为基底,涂覆聚偏氟乙烯(PVDF)和纳米氧化铝(nano-Al2O3),通过相转化的方法形成多孔陶瓷涂层,以改善聚乙烯隔膜对电解液的润湿能力、吸液能力及其热稳定性和电化学稳定性。结果表明:当涂层溶液中w(PVDF)=0.15,w(nano-Al2O3)=0.3时,改性隔膜的吸液率比纯PE隔膜提高了211.5%,水接触角降低了41.3°,热分解温度和电化学稳定窗口分别提高了73.4°C和0.2V。电池的容量保持率达到96.17%,而纯PE隔膜的只有85.78%。改性后隔膜的润湿能力、稳定性、安全性以及循环性能都有较大程度的提高。

锂离子电池用陶瓷聚烯烃复合隔膜

为改善聚烯烃微孔膜的耐热安全性,研究了用于锂离子电池的陶瓷聚烯烃复合隔膜ZrO2/SiO2/PP(聚丙烯)。复合膜具有高度多孔性和良好液体电解液湿润性。由于高的毛细吸附作用,通过吸附液态电解液,膜很易传导锂离子。膜中ZrO2/SiO2的两性特征,将电解液中的酸性HF(氟化氢)消耗掉,而HF作为现在锂离子电池所用电解液中的杂质是不可避免的。复合膜作为隔膜制备的碳/正极材料锂离子电池不仅具有优良的容量保持性、高温安全性,也显示良好的倍率放电性。

锂离子电池隔膜技术现状及发展趋势

锂离子电池隔膜是组成锂离子电池的四种主材之一,对锂离子电池的综合性能尤其是安全性影响显著。本文结合隔膜在锂离子电池中的重要作用,综述了锂离子电池隔膜的种类及制备工艺方法并对其优缺点进行了比较,重点介绍了以惠强新材为代表的干法隔膜企业在三层共挤一次成型方面的成就。最后对锂电池隔膜在新材料、新结构、新工艺等方面的未来发展趋势进行了总结展望。