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陶瓷涂层在锂电池中的应用

陶瓷涂层在锂电池中的应用

  • 分类:最新动态
  • 作者:ZC-New Material
  • 来源:
  • 发布时间:2022-07-26
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【概要描述】陶瓷涂层对于锂离子电池性能有重要的影响,尤其是对锂电池安全性能具有重要的意义。电极和隔膜表面的陶瓷化,不仅能显著地降低电池的内短路率、提高安全性,还能改善极片和隔膜的电解液浸润性,降低极化,提高电池的循环等综合性能。

陶瓷涂层在锂电池中的应用

【概要描述】陶瓷涂层对于锂离子电池性能有重要的影响,尤其是对锂电池安全性能具有重要的意义。电极和隔膜表面的陶瓷化,不仅能显著地降低电池的内短路率、提高安全性,还能改善极片和隔膜的电解液浸润性,降低极化,提高电池的循环等综合性能。

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       锂离子电池具有高电压、高容量、体积小、重量轻、环保以及长寿命等突出优点,已经广泛应用于各种便携式电子产品及电动汽车领域。但是锂离子电池的安全性目前仍存在一定的问题,尤其是其在高温、过充、短路等条件下的安全性问题,已成为动力型锂离子电池大规模应用时必须攻克的技术难题。

       目前很多锂电厂商采用了陶瓷粉体涂覆极片或采用陶瓷隔膜等与“陶瓷粉体”有关的材料来改善锂电池的安全性。其实,陶瓷粉体并不是“陶瓷”,而是纳米化的氧化铝与勃姆石颗粒。这种特种氧化铝与勃姆石是具有重要应用价值和发展前景的特种功能材料之一,具有很高的热稳定性、化学稳定性、耐腐蚀性及高硬度等一系列优良特性,广泛用于陶瓷材料、生物医学材料、半导体材料、催化剂载体、表面防护层材料以及光学材料。正是由于纳米氧化铝这样好的热稳定性,被认为是很好的隔热材料,有望在改善锂离子电池的安全性能上做出重大贡献。

       目前,特种氧化铝、勃姆石产品主要用于涂覆于电极或隔膜上以提高隔膜安全性、降低内短路率最有效措施。
 

一、极片边缘涂覆对电池的安全性和良品率具有重要意义。

勃姆石等材料亦可用在锂电池电芯的极片涂覆,以提高锂电池的安全性能及良品率。以比亚迪为例,刀片电池将采用勃姆石材料在电芯极片边缘进行涂覆。极片涂覆可分别应用在电池的正极和负极:
(1)正极极片边缘涂覆:由于正极片一般小于负极片,极片宽边的边缘在切割中容易出现毛刺,一旦刺穿隔膜接触到负极会引起电池短路。
勃姆石表面光滑,涂覆后可填平正极边缘,使切割后的表面光滑无毛刺。行业内由宁德时代率先使用勃姆石进行正极边缘涂覆已形成示范效应,成功导入下游比亚迪、亿纬锂能等电池厂。
(2)负极极片边缘涂覆:负极表面粗糙,涂覆超小粒径的勃姆石后,负极造孔变得均匀,可以改善电解液亲润性,使得锂离子在充放电过程中更加通畅。负极边缘涂覆还未形成主流,目前有应用在 ATL 的消费电池上。

二、陶瓷隔膜

       目前,研究者主要从正负极材料、隔膜、电解液及电池设计等方面来改善电池性能,其中陶瓷隔膜是一种有效提高电池性能的途径,陶瓷隔膜不仅可以提高电池的安全性能,也可提高电池的循环性能,降低自放电率。陶瓷隔膜可以提高锂离子电池的循环及安全性能,但其制备过程较难控制,另外隔膜上的陶瓷在循环过程中也容易发生脱落。

1.形态差异

       市面上常见的隔膜是PP、PE、或者两种复合加工制成。虽然这些微孔聚烯烃隔膜具有优异的机械强度及化学稳定性,但是这些隔膜由于制备过程中存在内应力,在高温环境下应力释放,隔膜会发生明显的热收缩效应从而使得电池内部正负极材料直接接触导致内短路产生,发生安全故障。将纳米氧化铝或勃姆石颗粒涂覆于隔膜表层则能高效的提高锂电池的安全性。将陶瓷粉体与PVDF、NMP溶解混合、分散均匀后,开启涂布机将PE隔膜上进行陶瓷粉体涂布,陶瓷涂层厚度可以控制,之后在80℃下干燥24h即制得陶瓷隔膜。陶瓷隔膜微观形貌如图所示。

从图中可以看出,涂覆的纳米Al2O3颗粒完全覆盖在PE隔膜的表面,且颗粒之间存在着不均一的较大空洞分布,这些较大空隙的存在能有利于Li+ 的嵌入与脱出且对电解液具有很好的吸液性及保液性能,从而不影响涂覆涂层后的隔膜对锂电池的充放电性能。

2.热收缩程度

       陶瓷涂层有利于提高隔膜的耐高温性质,将陶瓷隔膜和普通隔膜放于不同温度的箱子中2h,两种隔膜在收缩率上有很大的区别。隔膜在高温下会收缩是因为隔膜在制备过程中由于牵引拉伸使得隔膜存在内应力,在高温环境下由于隔膜内部分子链的运动导致应力释放从而发生大面积收缩;但是陶瓷涂层隔膜在140℃烘烤条件下除隔膜颜色发生变化以外其本身的形态未发生改变,当在隔膜表面两侧涂覆的无机涂层具有耐高温隔热性能,从而降低基体隔膜本身的温度,使得隔膜在高温环境下仍保持原有形态。

3.陶瓷隔膜有利于提高电池安全性
       PE隔膜在温度高于其熔点温度下会发生大面积收缩,从而使得电池内部正负极极片直接接触导致内部短路因此所测电池内阻迅速降低;然而对于涂覆涂层的隔膜即使在150℃下烘烤其隔膜本身形态不会发生变化,因此电池内部不会出现短路情况从而使得电池内阻仍在增加。PE隔膜在高温环境下会丧失机械稳定性能,从而导致电池内部发生正负极直接接触导致短路,而陶瓷涂层隔膜由于具有耐高温性能从而有效防止电池内部发生短路,提高电池的安全性能。

4.陶瓷隔膜对电池寿命的影响

       锂离子电池隔膜不仅隔离电池内部正负极极片,而且需具备良好的离子通透能力,由于对隔膜进行涂覆无机涂层后会增加隔膜的厚度,从而有可能影响到离子的传导性能,但实验证明(图7)其影响较弱,反而是涂有陶瓷涂层的隔膜循环性能更好。
  PP/PE隔膜都是非极性的,表面疏水且表面能较低,对极性的碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯等有机电解液较难润湿和保持,这直接影响了电池的循环性能和使用寿命,而无机陶瓷表面由于羟基的存在,表面亲水,它的引入能够极大地提高隔膜或电极对电解液的润湿和保持能力,大大提高电池的循环性能。同时,纳米氧化铝颗粒具有较大比表面积,可以提高电解液对极片的润湿性和保液性,也有利于电池的循环寿命。

总结:

       综上,陶瓷涂层对于锂离子电池性能有重要的影响,尤其是对锂电池安全性能具有重要的意义。电极和隔膜表面的陶瓷化,不仅能显著地降低电池的内短路率、提高安全性,还能改善极片和隔膜的电解液浸润性,降低极化,提高电池的循环等综合性能。因此,陶瓷涂层的应用是今后锂离子电池发展的必然趋势。

 

 

资料来源:锂电派 《陶瓷涂层在锂电池中的应用》  文章仅供行业内学习和交流,如有侵权请联系删除。

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