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锂电池隔膜技术和工艺
隔膜是锂离子电池的重要组成部分,是支撑锂离子电池完成充放电电化学过程的重要构件。
隔膜是锂电池一个重要组件
隔膜定义
隔膜性能
影响电池的界面结构、内阻
影响电池容量、循环次数和安全性能
影响电池的综合性能
锂电池隔膜材料
高强度薄膜化聚烯烃多孔膜材料
有耐有机溶剂功能
基体材料为聚丙烯、聚乙烯材料和添加剂
材质特性
不导电
电池种类不同,采用不同隔膜
PE 、PP等
隔膜作用
分隔电池的正负极,防止短路
充放电过程中使电解质离子来回通过的功能
性能参数
透气率
Gurley指数,是一个重要物化指标;
与电池内阻成正比;
数值越大,内阻越大。
自动关闭机理
一种安全保护性能;
限制温度升高和防止短路;
安全窗口温度越高愈好,电池的安全性越高;
与隔膜的原材料和隔膜的结构有关;
材料熔点决定隔膜的闭孔温度。
热稳定性
隔膜受热时尺寸稳定性
孔隙率
孔的体积和隔膜体积的比值,
一般隔膜孔隙率在35%-60%之间。
力学强度
要求抗穿刺强度高;
单向拉伸,拉伸~50N,横向~5N;
双向拉伸,要求2个方向要求一致。
隔膜六大性能参数
孔径大小及分布
孔径的大小及分布与制备方法有关;
孔径大小影响隔膜的透过能力;
分布不均匀导致电池内部电流密度不一致,
形成枝状晶刺穿隔膜。
隔膜特性和分类
隔膜分类
根据不同物理、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;
目前商品化锂电池隔膜材料主要采用聚乙烯、聚丙烯微孔膜;
固体和凝胶电解质用作一个特殊的组件,同时发挥电解液和电池隔膜的作用-固态电池。
锂电池隔膜的主要厂商及其主要产品
隔膜特性
电子绝缘性-------正负极的机械隔离;
一定的孔径和孔隙率,低电阻和高离子电导率,对锂离子有很好的透过性;
耐电解液腐蚀,有足够的化学和电化学稳定性;
对电解液的浸润性好并具有足够的吸液保湿力;
足够力学性能----穿刺强度、拉伸强度等,但厚度尽可能薄;
空间稳定性和平整性好;
热稳定性好、自动关断性能好;
动力电池对隔膜要求更高,通常采用复合膜。
隔膜壁垒
技术方面
造孔工程技术
隔膜造孔工艺难度高;
无成套生产设备;
产品稳定性保持难。
基体材料
聚丙烯、聚乙烯材料和添加剂等高分子材料复杂性和高知识含量。
制造设备
设备精密稳定。
经济方面
投资金额大、周期长、技术风险高。
国内现状:
隔膜的厚度、强度、孔隙率一致性不够
量产批次稳定性较差
隔膜一致性:
厚度、面密度、力学性能一致性;
对隔膜微孔的尺寸和分布的均一性-------微孔的尺寸和分布直接影响到隔膜的孔隙率、透气性、吸液率。
锂电池成本构成
锂电池材料利润率
工艺技术
成孔机理不同
共性步骤:取向步骤-----使薄膜产生空隙并提高拉升强度。
熔融拉升MSCS
热致相分离TIPS
干法工艺
干法是将聚烯烃树脂熔融、挤压、吹膜制成结晶性聚合物薄膜,经过结晶化处理、退火后,得到高度取向的多层结构,在高温下进一步拉伸,将结晶界面进行剥离,形成多孔结构,可以增加薄膜的孔径。
优点:工艺相对简单、附加值高、无环境污染。
缺点:
孔径及孔隙率较难控制;
拉伸比较小,只有约1~3;
低温拉伸时容易导致隔膜穿孔;
产品不能做得很薄。
熔融挤出
高倍拉伸
冷却
热处理
拉伸
热定型
分切
收卷
干法工艺影响因数
工艺影响膜结构的因素
熔融牵伸比;
挤出温度;
隔膜性能参数等。
熔融牵伸比
挤出温度
分子取向度
熔融牵伸比
热处理温度
薄膜结晶性
降低挤出温度提高分子取向度
提高退火温度,提高结晶度,晶片结构排列完善
冷拉伸
热定型
孔径大小和分布
膜结构
分子取向度
孔径大小和分布
薄膜结晶性
微观影响膜结构的因素
两种干法工艺特点
单向拉伸设备
工艺方式
单向拉伸
双向拉伸
工艺原理
晶片拉伸
晶型转换
方法特点
设备复杂,精度要求高,投资大,工艺复杂、控制难度高、环境友好
设备复杂、投资较大,一般需成孔剂等添加剂辅助成孔-加入β晶型改进剂
产品特点
微孔尺寸、分布均匀、微孔导透性好,产品横向热收缩差,能够生产出不同厚度的产品,能够生产PP\PE产品和三层复合产品
微孔尺寸、分布均匀、透气性更好,稳定性差。
现只能生产出较厚规格的PP膜
厂家
Celgard、UBE、深圳星源科技
新乡格瑞恩