锂电池隔膜是什么材料
锂电池隔膜是一种关键的内层组件,其材料多为聚乙烯(PE)和聚丙烯(PP)。这两种材料制成的隔膜在锂电池中起着分隔正负极、防止短路以及提供离子移动通道等重要作用。
在锂电池结构里,由于电解液是有机溶剂体系,需要耐有机溶剂的隔膜材料,聚烯烃类的聚乙烯和聚丙烯多孔膜符合要求,且它们具有优异的力学性能、化学稳定性并且相对廉价,所以被广泛应用。
聚乙烯材料在锂电池隔膜中的特性
1.化学稳定性方面,聚乙烯(PE)是乙烯聚合后的热塑性树脂,通常为无毒、无味的白色粉末或者颗粒,有类似蜡的手感。它在室温下能够经受稀硫酸、稀硝酸、盐酸等溶液的腐蚀,这一特性使其成为制造锂电池隔膜的良好选择。
2.从工艺角度来看,PE产品主要由湿法工艺制得。
3.在温度耐受性上,PE相对耐低温,但对环境应力更敏感。
聚丙烯材料在锂电池隔膜中的特性
1.聚丙烯(PP)是由丙烯通过加聚反应而成的聚合物,是无色、无味、无毒的半透明固体物质,与聚乙烯一样能经受酸、碱、盐液及其有机溶剂的腐蚀,在机械、电子、汽车、纺织等多个领域广泛运用,也适用于锂电池隔膜。
2.工艺上PP产品主要由干法工艺制得。
3.温度特性上,PP相对更耐高温,其密度比PE小,熔点和闭孔温度比PE高,但韧性比PE差。
锂电池隔膜的其他材料探索
1.虽然聚乙烯和聚丙烯是主流,但也有研究用其他材料制备锂电池隔膜,如1999年采用相转化法以聚偏氟乙烯(PVDF)为本体聚合物制备锂电池隔膜。
2.还有KuribayashIsao等研讨纤维素复合膜作为锂电池隔膜材料,不过至今商品化锂电池隔膜材料仍主要采用聚乙烯、聚丙烯微孔膜。
3.固体和凝胶电解质开始被用作一个特殊的组件,同时发挥电解液和电池隔膜的作用,这是新兴技术手段,但还未完全取代聚乙烯和聚丙烯隔膜的主导地位。
不同类型的锂电池隔膜
1.根据不同的物理、化学特性,锂电池隔膜材料可以分为织造膜、非织造膜(无纺布)、微孔膜、复合膜、隔膜纸、碾压膜等几类,其中聚烯烃微孔膜(聚乙烯、聚丙烯等)是主流。
2.市场上比较常见的锂电池隔膜根据结构和组成主要有三种,分别是多孔聚合物膜、无纺布隔膜以及无机复合膜。多孔聚合物膜是指通过机械方法、热致相分离法、浸没沉淀法等多种方法制备的孔隙分布均匀的锂电池隔膜。
锂电池隔膜在电池中的功能要求
1.电子绝缘性方面,要保证正负极的机械隔离,这是基本要求,防止正负极直接接触导致短路。
2.对于孔径和孔隙率有要求,要保证低的电阻和高的离子电导率,这样才能具有优良的锂离子透过性,确保电池正常充放电。
3.对电解液的浸润性要好,并且具有足够的吸液保湿能力,这有利于提高离子电导率,使电池性能更好。
4.耐电解液腐蚀是必须的,具有较好的化学与电化学稳定性,在任何条件下不与电解液和电极材料发生化学副反应,尤其是在满充电条件下,对强还原性的负极和强氧化的正极仍然保持稳定。
5.隔膜要有足够高的力学强度,例如穿刺强度、拉伸强度等,但厚度要尽量薄,因为隔膜作为非活性材料,不参与锂离子电池的能量转换,在提高能量密度的要求下,应尽可能在保证基本功能和安全的前提下,减小质量和厚度。
6.热稳定性较高且具有热关闭功能,热关闭功能是指在电池发生热失控的温度下,关闭电池防止热失控发生的功能,不过热关闭功能是一种不可逆机制,触发后电池会因隔膜闭孔而失效。
锂电池隔膜材料的产品形式
1.有单层PP、单层PE这种简单的产品形式,其中前两类产品主要用于3C小电池领域。
2.还有PP+陶瓷涂覆、PE+陶瓷涂覆这种涂覆形式的产品。
3.双层的如PP/PE、双层PP/PP和三层PP/PE/PP等复合形式的产品,后几类产品主要用于动力锂离子电池领域。
锂电池隔膜对电池性能的影响
1.隔膜的性能决定电池的界面结构,这直接关系到电池内部的电荷传输和反应进行的方式。
2.内阻方面,隔膜性能影响电池内阻,内阻大小对电池的能量损耗和发热情况有重要影响。
3.电池容量上,隔膜的特性会影响电池的容量,优质的隔膜有助于提升电池能够储存的电量。
4.在循环性能上,好的隔膜能让电池经过多次充放电后仍保持较好的性能,而较差的隔膜可能导致电池循环性能下降。
5.安全性能方面,隔膜如果不能有效分隔正负极或者在异常情况下不能发挥应有的作用,电池可能会出现短路、过热甚至爆炸等危险情况。
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