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陶瓷隔膜热收缩的影响因素

陶瓷隔膜热收缩的影响因素

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  • 发布时间:2022-02-22
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【概要描述】为了提高锂离子电池的可靠性,添加无机陶瓷材料制成锂离子电池陶瓷隔膜的方法得到了很多关注,所采用的无机物一般为氧化铝、勃姆石等。这种方法利用了无机陶瓷材料的高强度和耐高温性能。但无机陶瓷材料无法直接附着在多孔聚烯烃隔膜上,故需要结合剂为无机陶瓷颗粒之间、无机陶瓷颗粒与多孔聚烯烃隔膜之间提供粘合。

陶瓷隔膜热收缩的影响因素

【概要描述】为了提高锂离子电池的可靠性,添加无机陶瓷材料制成锂离子电池陶瓷隔膜的方法得到了很多关注,所采用的无机物一般为氧化铝、勃姆石等。这种方法利用了无机陶瓷材料的高强度和耐高温性能。但无机陶瓷材料无法直接附着在多孔聚烯烃隔膜上,故需要结合剂为无机陶瓷颗粒之间、无机陶瓷颗粒与多孔聚烯烃隔膜之间提供粘合。

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       锂离子电池使用日益普及,对于锂离子电池性能的要求也随之提高。作为锂离子电池的关键内层组件之一的隔膜,其性能决定着电池的界面结构、内阻等,直接影响着电池的容量、循环以及电池的安全性能。在锂离子电池中,隔膜吸取电解液后,可以隔离正负极以及防止短路,同时允许锂离子的传导;在过度充电或温度升高时,隔膜通过闭孔阻隔电流传导,防止爆炸。隔膜性能的优劣决定着电池的容量、循环性能、充放电电流密度等关键特性。热收缩性能表征隔膜性能的一项重要指标,同时也是关系电池安全性能的一项重要性能。

       目前市场上所使用的锂离子电池隔膜主要为:聚烯烃类隔膜、无纺布基隔膜以及其他类型的隔膜。虽然聚烯烃隔膜具有很多优点,但它们的热稳定及机械性能很差。而在电池使用中,由于外部及内部原因,电池的温度会有所上升,就会造成隔膜的收缩,进而造成短路,起火,甚至爆炸。锂电池的3C市场对电池隔膜提出了新要求,需要向厚度更薄、耐热性能更好的方向发展。着进一步突出了陶瓷隔膜的热收缩性能的重要性。

       为了提高锂离子电池的可靠性,添加无机陶瓷材料制成锂离子电池陶瓷隔膜的方法得到了很多关注,所采用的无机物一般为氧化铝、勃姆石等。这种方法利用了无机陶瓷材料的高强度和耐高温性能。但无机陶瓷材料无法直接附着在多孔聚烯烃隔膜上,故需要结合剂为无机陶瓷颗粒之间、无机陶瓷颗粒与多孔聚烯烃隔膜之间提供粘合。

       紧凑堆积的纳米颗粒,可以得到更好的热收缩性能,即热收缩小。陶瓷涂层虽然不能避免在高温下多孔聚烯烃隔膜的熔融,但在多孔聚烯烃熔融后,仍可自支撑成为一个单独层而防止正极、负极的物理接触,而随着陶瓷涂层厚度的增加,其起始热收缩的温度会提高。

       聚烯烃类隔膜自身抗热收缩性能较差,所以,一般需要通过额外的涂层来改善其热收缩性能。因而,对涂层的基本要求是抗热收缩性能好而又对诸如离子透过性、涂覆膜在电池中的稳定性等性能影响不大。陶瓷涂层是普遍的选择,例如氧化铝涂层、勃姆石涂层。隔膜上的涂层的热收缩性能对于成为整个锂离子电池隔膜的热收缩性能起到了决定性作用。

1、氧化铝颗粒的粒度

理论上,完美球体的堆积密度与球体的直径无关,但在实际操作中,因球体并不是完美球体,故由粒径小的颗粒相对较容易得到较大的堆积密度。采用较大颗粒的类球形氧化铝颗粒的陶瓷涂覆膜的热收缩率要高于采用较小粒径的。这正是由于较小粒径的颗粒得到了较大堆积密度的陶瓷涂覆膜,较大的堆积密度会导致较小的热收缩率。

2、氧化铝颗粒的形貌

由于类球形颗粒形貌规则,故其容易形成较高的堆积密度,进而其热收缩性能较优。相对的,花生状颗粒不易形成较致密的堆积,松散堆积中空隙较多,这在热收缩过程中会造成不利影响,导致热收缩过大。

3、粘结剂的种类

选用不同种类的粘合剂,分别与氧化铝分散液配成涂布液,涂覆在PE基膜上,分别测试涂层在MD和TD方向上130℃,1h的热收缩率。粘结剂的玻璃化转化

4、粘结剂的用量

用不同含量的粘结剂与氧化铝分散液配成涂布液,涂覆在PE基膜上,分别测试涂层在MD和TD方向上120℃,1h的热收缩率。可以得到,在一定范围内,随着粘合剂含量的增加,涂层膜的热收缩性能变差。首先,粘合剂本身就是高分子材料,受热收缩,含量增加后,收缩率变大;相应的主要起热收缩作用的氧化铝含量降低,涂层膜热收缩性能变差;最后随着粘合剂含量的增加,涂层的堆积密度变小,液导致其热收缩性能变差。

5、成膜助剂

成膜助剂可以降低粘合剂的成膜温度,在一定程度上降低隔膜热收缩,但存在一些问题需要注意,添加方式的严格控制、成膜助剂挥发速率大,影响存放时间,油性成膜助剂超过一定量后,影响涂布表观;干燥工艺严格,残留使电池安全性能变差。

6、涂层厚度

随着涂层厚度的增加,陶瓷涂覆的热收缩率,会有一个明显的减低。陶瓷涂覆膜主要由热收缩性能较差的基膜和热收缩性能较好的涂层组成,基膜的交联密度、加工工艺等都会对基膜的热收缩性能造成影响。如果涂层仅有耐热性能而无强度时,其对基膜的热收缩性能并未改善。这说明无机涂层对基膜收缩的支撑作用,以及对涂层强度的要求。当涂层支撑强度小于基膜的热收缩应力时,锂离子电池陶瓷涂覆膜的热收缩性能较差,当涂层支撑强度等于或者高于基膜的热收缩应力时,锂离子电池陶瓷涂覆膜的热收缩性能变好。

 

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