4つの新しいリチウム電池分離材料がリチウム電池にもたらした変化
リチウム電池の重要な材料として 電池分離器は電子を隔離する役割を果たします陽電極と陰電極の直接接触を防止し,電解質中のリチウムイオンが自由に通過できるようにする同時に,セパレーターはバッテリーの安全な動作を保証する上で重要な役割を果たします. 私の国のリチウム電池分離器産業は急速な発展の段階にあり,湿った分離器は徐々に主流の技術路線になりました.国産分離機の技術レベルと国際一流企業の技術レベルには依然として大きな差があります.
技術の発展において,伝統的なポリオレフィン分離機は,リチウム電池の現在の需要を満たすことはできなくなりました.高孔隙性,高熱耐性,高溶融点,高強度未来におけるリチウムイオン電池の発展方向である.
リチウム電池の重要な材料として 隔離器は電子隔離の役割を果たします陽電極と陰電極の直接接触を防止し,電解質中のリチウムイオンが自由に通過できるようにする同時に,セパレーターはバッテリーの安全な動作を保証する上で重要な役割を果たします.
特殊な状況 (事故,穴,バッテリー乱用など) で,分離器は部分的に損傷し,正電極と負電極の直接接触を引き起こす可能性があります.バッテリーに火をつけて爆発させるような 激しい反応を誘発する.
したがって,リチウムイオン電池の安全性を向上させ,安全かつ円滑な電池の動作を確保するために,分離器は以下の条件を満たす必要があります.
1化学的安定性:電解質や電極材料と反応しない
2湿度:電解液で濡れやすく,伸びたり縮小したりしない.
3熱安定性:高温に耐えるし,高いファイズ隔離性がある
4機械的強度: 自動巻き込み中に強度と幅が変化しないようにするための良好な拉伸強度
5孔隙性: 離子伝導性のニーズを満たすためにより高い孔隙性
現在,市場に販売されているリチウム電池分離機は,主にポリエチレン (PE) とポリプロピレン (PP) をベースにした微孔型ポリオレフィン分離機である.このタイプの分離機は,低コストに頼っています化学的安定性や電気化学的安定性などの利点により,リチウム電池分離器に広く使用されています.
しかし,ポリオレフィン材料そのものの冷凍表面と低い表面エネルギーにより,このタイプの分離器は電解液への湿度が低く,バッテリーのサイクル寿命に影響を与えます..
さらに,PEとPPの熱変形温度は比較的低いため (PEの熱変形温度は80-85°C,PPは100°Cである).隔離機が温度が高くなったとき 熱縮小がひどくなるこのタイプの分離器は高温環境での使用に適していません.伝統的なポリオレフィン分離機は,今日の3C製品と電池の要件を満たすことはできません.
リチウムイオン電池技術の開発需要に応えて,研究者は伝統的なポリオレフィン分離機をベースに様々な新しいリチウム電池分離材料を開発しました.非織物分離機は,繊維の網状構造を形成するために,繊維を方向化したり,ランダムに配置したりする非織物方法を使用します.そして,化学的または物理的方法を使って膜を強化し,フィルムを形成し,空気透過性や液体吸収率を良くします.
自然材料と合成材料は,非織布膜の調製に広く使用されている.天然材料には主にセルロースとその衍生物が含まれています.合成材料には,ポリエチレンテレフタラート (PET) が含まれる.,ポリビニリデンフッ化物 (PVDF),ポリビニリデンフッ化物 (PVDF),ビニリデンフッ化物-ヘクサフッ化プロピレン (PVDF-HFP),ポリアミド (PA),ポリアミド (PI),アラミド (メタアラミド,PMIA;パラアラミドPPTA),など.
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ポリエチレンテレフタラート
ポリエチレンテレフタラート (PET) は,優れた機械特性,熱力学特性,電気隔熱特性を持つ材料です.PET分離器の最も代表的な製品は,ドイツのDegussa社が開発した複合膜です.PET分離機をベースにセラミック粒子で覆い,熱耐性も優れたもので,閉室温は220°Cにも達します.
シアンタン大学の小清氏 (2012) は,PETナノファイバー分離機を準備するために電網回転方法を使用した.製造されたナノファイバーセパレーターは 3 次元の多孔ネットワーク構造を持っています平均繊維直径は300nmで 表面は滑らかです
PEフィルムよりもはるかに高い 255°Cで,最大張力強さは12Mpaで,孔隙は89%に達します.液体吸収率は500%に達します市場にあるセルガード分離器よりもはるかに高く,離子伝導性は2.27×10-3Scm-1に達し,サイクル性能もセルガード分離器よりも優れている.PET分離器の多孔繊維構造は,電池サイクル50サイクル後に安定している(a) に示されているように
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ポリミド
ポリミド (PI) は,また,良い包括性のあるポリマーの一つである.それは優れた熱安定性,高い孔隙性,良好な高温耐性,-200〜300°Cで長時間使用できます.
ミアオ氏 (2013) は,PIナノファイバー分離器を製造するために電体回転を使用した.分離器の分解温度は500°Cで,従来のセルガード分離器よりも200°C高い.下の図のように150°Cの高温条件下では,老化や熱収縮は起こらない.
第二に,PIの強い極性と電解液への良好な湿度により,製造された分離器は優れた液体吸収率を示しています.電気回転によって作られたPI分離器は,セルガード分離器よりも低インピーダンスの性能と高速性能を持っています0.2°Cで100回充電と放電した後も,容量保持率は依然として100%です.
(a) 150°Cで処理する前 (a,b,c) と後 (d,e,f) のCelgard,PI 40μmおよび100μm分離器の熱収縮
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メタアラミド
PMIAは,骨格にメタアニリン分岐鎖を持つ芳香型ポリアミドで,熱耐性は最大400°Cです.この素材を使用する分離機は,バッテリーの安全性能を向上させることができます.
さらに,カーボニルグループの極度が比較的高いため,分離器は電解質の湿度が高いため,分離器の電気化学特性を改善する.
一般的には,PMIA分離器は,電網回線などの非繊維方法で製造されます.しかし,より大きな孔の大きさなどの非繊維分離器に固有の問題により,自発放電がバッテリーの安全性や電気化学性能に影響を与えるこれは,非繊維分離器の適用を一定の程度に制限しているが,相反法はその汎用性と制御性により商業的見通しを持っている.
ゼジアン大学の朱・バオク研究チームは (2016年) 図のように相反法でスポンジ型PMIA分離器を製造した.孔の大きさの分布は濃縮されている.90%の毛孔の大きさは マイクロン以下です張力強度は10.3Mpaまで高まります
相反法で製造されたPMIA分離器は熱安定性が優れている.温度が400°Cまで上昇すると明らかな質量損失はない.分離器は,160°Cで1時間処理された後に収縮しない..
また,強い極機能群により,PMIA分離器の接触角はわずか11.3°で,スポンジのような構造により,液体を素早く吸収できます.分離器の湿化性能を向上させるバッテリーの活性化時間を短縮し 長いサイクルを安定させます
さらに,PMIA分離器のスポンジ型構造の内部にある相互接続した孔隙構造により,リチウムイオンがスムーズに伝達できます.つまり相反法で製造された分離器の電離伝導性は 1 です.51mS ̇cm−1
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ポリパラフェニレンベンゾジアゾール
新しいポリマー材料PBO (ポリフェニレンベンゾジアゾール) は,優れた機械特性,熱安定性,炎阻害性を持つ有機繊維です.そのマトリックスが 650°C以下には分解しない線形鎖構造のポリマーです超高強度とモジュールがあり,理想的な熱耐性と衝撃耐性繊維材料です.
PBO繊維の表面は非常に滑らかで,物理的にも化学的にも不活性であるため,繊維の形状を変更することは困難です.PBO繊維は100%濃縮硫酸にしか溶けません.メチル硫酸強い酸性エッチングの後,PBO繊維の繊維は 主幹から剥がれ,分裂繊維の形状を形成します.表面面積と接着強度の比率を改善する.
(a) PBO繊維; (b) PBOナノファイバー膜構造
ハオ・シャオミング et al. (2016) は,メタン硫酸とトリフローアセティック酸の混合酸を使用して,PBO繊維を溶解してナノ繊維を形成した.そして,PBOナノポーラスセパレータを相反法で調製した.
分離器の強度は525Mpaに達し,ヤングモジュールは20GPa,熱安定性は600°Cに達し,分離器の接触角は20°セルガード2400分離器の 45°接触角より小さい, 離子伝導性は2.3×10−4S·cm−1で,0.1Cサイクル条件では商用セルガード2400分離機よりも優れた性能を持っています.
PBO繊維の製造過程が難しいため,高品質のPBO繊維を製造する企業は世界中にほんの一握りしかなく,すべてモノメア聚合を使用しています.製造されたPBO繊維は強い酸性処理を必要とし,リチウム電池分離器の分野で適用するのは困難です..
ハンヤング大学ヤングモリー研究チームは (2016) HPI (水酸化ポリアミド) のナノ粒子を用いて,熱再編成によってTR-PBOナノ繊維複合分離器を準備した.PBO材料そのものの高強度と高耐熱性に加えて利点は,毛孔の大きさの分布がより濃縮され,毛孔の大きさが小さく,強い酸やアルカリ条件下で調製する必要がないことです.
