锂离子电池塑料-金属复合集流体的特性及制备研究进展

塑料-金属聚合物复合集流体(metallized plastic current collector,MPCC)通过减厚、减重可大幅提高电池的能量密度,且因聚合物自身绝缘、受热收缩、熔融等特性可提高电池的安全性,因此吸引了产业界研究者的诸多关注。了解聚合物基底和MPCC的特性及制备方法有利于高质量MPCC的研发,同时可促进高能量密度、高安全电池的发展,因此本文着重介绍了常用和亟待开发的聚合物的特性,阐明了目前市场生产的高质量PET、PP基复合集流体虽已应用于锂离子电池,但面临着各种挑战,例如PET的溶胀溶解反应,PP与金属层间的低黏结性等,并提出了相应的改进措施。此外,本文总结了聚合物表面沉积金属层的多种方法(磁控溅射、蒸镀、化学沉积和电镀等)的原理、优缺点和设备改良策略、注意事项,以期提高聚合物表面金属层的均匀性、一致性和导电率。最后,为提高MPCC在电池中的应用可行性,明确了MPCC未来研发的重点攻关问题,例如提高金属-聚合物界面黏结性,进一步提高电池安全性和导电率,并阐述了将来的发展趋势:功能化和精细化MPCC在电池中的应用。

塑料膜复合集流体在锂离子电池应用中的挑战与改进措施

塑料膜复合集流体(PFCC)是一种具有金属层+塑料聚合物+金属层的类三明治结构的新型电池集流体,可以提高锂离子电池的能量密度和安全性,因此受到了电池相关研究者的广泛关注。但PFCC也为锂离子电池的应用带来很多挑战,使其产业化进程缓慢。本文总结了其带来的诸多挑战,例如,聚合物-金属间结合力弱导致在聚合物层电解液浸泡时易脱层、导电性差使其过流能力下降、聚合物层易被腐蚀等,同时对其相关机理展开了详细的阐述:部分聚合物为非极性分子,与金属层间作用力弱;聚合物自身绝缘;PET易被催化解聚及热稳定性差等缺点。针对以上不足,本文系统地归纳了PFCC在锂离子电池应用技术中的发展历程,同时明确了可以通过界面工程、材料调控、加工技术和设备优化等方法、措施对其进行改进,例如:设置焊接质量的实时监控系统,建立多功能界面强化层,设计集流体内外功能性结构等,以期为PFCC的发展奠定理论基础,并推动PFCC在锂离子电池中的应用。

锂离子电池用PET-Cu复合集流体拉伸性能研究

随着锂离子电池技术的不断发展,复合集流体因其具有显著提升电池能量密度和安全性高等优势而引起了产业界的广泛关注。而复合集流体的力学性能可靠性是保证其安全服役的前提,为此,本文针对商业用聚对苯二甲酸乙二醇酯-铜(PET-Cu)复合集流体的拉伸性能开展了系统性的研究。利用扫描电镜、激光共聚焦显微镜、X射线衍射等技术手段对复合集流体材料的表面形貌、微观结构及拉伸断裂行为进行了表征与分析。借助有限元模拟分析了不同几何形状试样在拉伸过程中的应力分布状态;通过数字图像相关技术辅助的拉伸实验研究了取样方向、应变速率及试样几何尺寸对PET-Cu复合集流体拉伸性能的影响规律,并对其应变测量进行了校正。结果表明,采用狗骨状试样并进行应变校正可以更准确地评估复合集流体的拉伸性能;PET-Cu复合集流体的拉伸性能表现出试样取样方向相关性和应变速率敏感性。此外,PET-Cu复合集流体的断裂伸长率表现出明显的试样几何尺寸效应,通过引入几何尺寸系数K可以对不同尺寸的试样拉伸性能进行合理的预测。本研究为聚合物复合集流体实际应用提供了理论依据与可靠性的论证,也为相关试验标准的建立提供了参考,有望推动高性能锂离子电池的开发。

高安全锂离子电池复合集流体的界面强化

面向高能量密度电池的高比容量三元正极材料的应用,使锂离子电池更容易发生热失控,这不仅降低了其安全性,也限制了锂离子电池的进一步发展。如何在提高能量密度的同时保证电池的安全性是亟待解决的问题。以绝缘高分子薄膜为支撑基材,两侧沉积金属层得到了具有夹芯结构的铝复合集流体能有效保证电池在针刺条件下的安全性,且更轻的复合集流体的使用能进一步提高电池能量密度。但高分子基材与铝金属层之间界面结合力较差,这会导致复合集流体在高温电解液浸泡中发生脱层现象,从而影响其在电池中的使用。本研究采用聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)作为支撑基材,通过在铝金属镀层与高分子基材之间引入氧化物中间层,有效地增强了金属与高分子基材之间的界面结合力,提升复合集流体的电解液兼容性。此外,复合集流体良好的机械性能使其能很好地兼容现有的电池制备技术,利用其制备的软包电池表现出与使用传统铝箔为集流体的电池相当的电化学性能。进一步的针刺测试表明,复合集流体能有效阻止锂电池在针刺过程中的热失控,显著改善了电池的安全性能。

卷绕镀铜工艺对复合集流体电学性能影响研究

为改善锂离子电池用镀铜复合集流体的电学性能,通过控制卷绕磁控溅射走带速度、阴极功率、工艺压强、线性离子源前处理参数、NiCr打底层厚度等工艺条件,在有机基材表面沉积铜膜,通过四探针方阻测量仪测定镀铜层方阻值,得到了不同工艺参数对镀铜层方阻的影响规律。结果表明:随走带速度增加,方阻值呈二次方增大;随阴极功率增加,方阻值呈幂次方降低;工艺压强0.13~0.45Pa范围内,方阻值在0.2Pa时达到最低;离子源电流0~0.7A范围内,方阻值随离子源电流增大线性降低;NiCr打底层能够改善镀铜层的方阻,6.7nm厚的NiCr打底样品较无打底层样品方阻值降低23.2%。

黏结剂纤维化制备干法电极的研究进展

传统的湿法制造工艺存在危害环境和成本较高的问题。干法电极工艺在电极制备过程中不添加溶剂,可以降低生产成本并减少环境污染。从干法混合、自支撑膜制备、与集流体复合等方面介绍黏结剂纤维化干法电极工艺,突出在节约能源和设备成本、提高电极性能方面的优势。研究可推动干法电极技术在工业化生产中的应用和发展。

复杂型腔充模过程中分子构型演化的数值模拟

基于充模过程的两相黏弹性流体模型,采用有限体积、浸入边界和复合水平集流体体积方法,数值模拟了聚合熔体在复杂型腔中的充模过程.首先,借助一类特殊函数(R-functions)将基于基本几何体的水平集函数组合成描述复杂型腔的形状水平集函数.然后,采用浸入边界法处理复杂型腔问题,有限体积方法求解熔体控制方程,利用复合水平集流体体积方法对熔体前沿界面进行隐式追踪.基于有限伸展非线性弹性哑铃本构方程模型,计算熔体分子构型张量,通过取向椭圆描述分子的取向及拉伸行为,实现了充模过程中分子构型的可视化.最后,对带有两个圆形嵌件的环状型腔内的充模过程进行数值模拟研究,得到了充模过程中型腔内的温度、应力及分子构型的变化情况,并重点分析了充模速度、熔体温度和模具温度等对分子构型的影响.数值结果表明:本文提出的耦合模型可以成功模拟复杂型腔内充模过程中的温度、应力和分子取向等物理量的动态变化;适当提高注射速度可以增大熔接痕的强度;提升熔体温度和模具温度,可以有效改善甚至消除熔接痕.

带嵌件型腔内熔接过程的数值模拟研究

基于充模过程的两相黏弹性流体模型,采用同位网格有限体积法,结合浸入边界法和界面追踪的复合水平集流体体积方法实现了带嵌件型腔内充模过程的动态模拟.基于上述模型和算法模拟了熔体前沿界面及熔接线的动态演化过程,而且通过线性应力-光学定律得到了熔接线附近的流动诱导应力分布情况;讨论了熔体温度及模具温度对熔接线区域凝固层厚度的影响.数值结果表明:本文提出的方法可用于模拟复杂型腔内的充模过程以及熔接线的自动追踪;由于聚合物黏弹性熔体流动的复杂性,当两股熔体相遇后,熔接线不同位置的应力分布变化较大;熔体或模具温度越高,熔接线区域凝固层厚度越薄,提高熔体或模具温度能够改善甚至消除充模过程中的熔接线.