安全性一直是鋰離子電池關(guān)注的要點(diǎn)，隨著鋰離子電池能量密度的不斷提高，隔膜等非活性材料也在不斷的減薄，從而使得鋰離子電池安全性風(fēng)險(xiǎn)不斷升高，去年被炒的火熱的三星Note 7手機(jī)爆炸事件，據(jù)信就是由于追求高能量密度，從而導(dǎo)致隔膜減薄，使得電池安全性降低，電池在特定的情況下會(huì)發(fā)生爆炸起火。為了提高鋰離子電池的安全性，特別是在短路和針刺等特殊情況下的安全性，人們開(kāi)發(fā)了新型的涂層隔膜，在發(fā)生短路或者內(nèi)短路的情況下，電池內(nèi)部發(fā)生過(guò)熱，經(jīng)過(guò)涂層處理后的隔膜能夠有效的阻止高溫收縮，從而避免正負(fù)極直接接觸短路，引發(fā)更為嚴(yán)重的熱失控，避免電池發(fā)生起火和爆炸等嚴(yán)重的安全問(wèn)題。
傳統(tǒng)的涂層隔膜一般是使用Al2O3或者M(jìn)gO顆粒作為原料，涂層厚度一般為2-3um，最近來(lái)自華中科技大學(xué)的Chongwen Yang等人開(kāi)發(fā)了一種勃母石(AlOOH)涂層隔膜，據(jù)Chongwen Yang表示，該隔膜能夠在保證熱穩(wěn)定性不變的前提下，大幅降低涂層的厚度1.15um，這主要是因?yàn)镻E達(dá)到140℃融化后，AlOOH與PE之間相互融合產(chǎn)生穩(wěn)定的界面結(jié)構(gòu)，從而防止PE隔膜繼續(xù)收縮，目前該研究成果已經(jīng)發(fā)表在了最新一期的《Journal of PowerSource》雜志上。
實(shí)驗(yàn)中Chongwen Yang將平均直徑為350nm的AlOOH顆粒(35%)，聚乙烯醇PVA(1%)，溶解在去離子水中，然后利用滾涂設(shè)備在16um的PE隔膜的正反面分別涂布一層上述漿料(1.15um)，然后在60℃下干燥24h，涂布層的厚度可以通過(guò)控制滾涂的速度來(lái)進(jìn)行控制。Chongwen Yang分別測(cè)試了上述改造隔膜和未改造隔膜的收縮率和潤(rùn)濕性，以及離子電導(dǎo)率，用來(lái)對(duì)比兩種隔膜的性能。
安全性一直是鋰離子電池關(guān)注的要點(diǎn)，隨著鋰離子電池能量密度的不斷提高，隔膜等非活性材料也在不斷的減薄，從而使得鋰離子電池安全性風(fēng)險(xiǎn)不斷升高，去年被炒的火熱的三星Note 7手機(jī)爆炸事件，據(jù)信就是由于追求高能量密度，從而導(dǎo)致隔膜減薄，使得電池安全性降低，電池在特定的情況下會(huì)發(fā)生爆炸起火。為了提高鋰離子電池的安全性，特別是在短路和針刺等特殊情況下的安全性，人們開(kāi)發(fā)了新型的涂層隔膜，在發(fā)生短路或者內(nèi)短路的情況下，電池內(nèi)部發(fā)生過(guò)熱，經(jīng)過(guò)涂層處理后的隔膜能夠有效的阻止高溫收縮，從而避免正負(fù)極直接接觸短路，引發(fā)更為嚴(yán)重的熱失控，避免電池發(fā)生起火和爆炸等嚴(yán)重的安全問(wèn)題。
傳統(tǒng)的涂層隔膜一般是使用Al2O3或者M(jìn)gO顆粒作為原料，涂層厚度一般為2-3um，最近來(lái)自華中科技大學(xué)的Chongwen Yang等人開(kāi)發(fā)了一種勃母石(AlOOH)涂層隔膜，據(jù)Chongwen Yang表示，該隔膜能夠在保證熱穩(wěn)定性不變的前提下，大幅降低涂層的厚度1.15um，這主要是因?yàn)镻E達(dá)到140℃融化后，AlOOH與PE之間相互融合產(chǎn)生穩(wěn)定的界面結(jié)構(gòu)，從而防止PE隔膜繼續(xù)收縮，目前該研究成果已經(jīng)發(fā)表在了最新一期的《Journal of PowerSource》雜志上。
實(shí)驗(yàn)中Chongwen Yang將平均直徑為350nm的AlOOH顆粒(35%)，聚乙烯醇PVA(1%)，溶解在去離子水中，然后利用滾涂設(shè)備在16um的PE隔膜的正反面分別涂布一層上述漿料(1.15um)，然后在60℃下干燥24h，涂布層的厚度可以通過(guò)控制滾涂的速度來(lái)進(jìn)行控制。Chongwen Yang分別測(cè)試了上述改造隔膜和未改造隔膜的收縮率和潤(rùn)濕性，以及離子電導(dǎo)率，用來(lái)對(duì)比兩種隔膜的性能。
在對(duì)隔膜進(jìn)行的其他性能測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，結(jié)果如下表所示，從結(jié)果來(lái)看，改性隔膜的針刺強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度僅有輕微的下降，但是在透氣性方面卻相比原始PE隔膜有20%左右的下降，這將會(huì)對(duì)離子遷移產(chǎn)生一定的影響，但是好在這一劣勢(shì)被AlOOH改性隔膜良好的潤(rùn)濕性所抵消，原始PE隔膜的潤(rùn)濕角為42.5度，而AlOOH改性隔膜的潤(rùn)濕角是0度，表明改性隔膜具有優(yōu)異的電解液潤(rùn)濕性。
離子電導(dǎo)率也是影響隔膜離子通過(guò)性的一個(gè)重要的指標(biāo)，離子電導(dǎo)率測(cè)試是將隔膜制成扣式電池，然后采用交流阻抗方式進(jìn)行測(cè)試，然后利用下式進(jìn)行計(jì)算，其中d和S分別是隔膜的厚度和面積，Rb為等效電阻。測(cè)試結(jié)果顯示，AlOOH改性隔膜的離子電導(dǎo)率為6.56′10-3S/cm，而原始的PE隔膜的離子電導(dǎo)率僅為3.48′10-3S/cm。
Chongwen Yang還利用上述隔膜制成了LTO半電池，用于測(cè)試改性隔膜的倍率性能和循環(huán)性能，測(cè)試結(jié)果如下圖所示。從倍率測(cè)試結(jié)果來(lái)看，在較高倍率下(1C和2C)，采用AlOOH改性處理的隔膜具有更好的性能。循環(huán)測(cè)試同樣表明AlOOH涂層處理能夠改善電池的循環(huán)性能，在1C倍率下循環(huán)100次后，AlOOH改性隔膜電池的容量保持率為96.3%，而原始PE隔膜電池的容量保持率為94.6%。
研究顯示，改性隔膜還能顯著的提升電池的過(guò)充性能，下圖是分別采用AlOOH改性隔膜和普通PE隔膜的LFP電池在3C倍率下過(guò)充到10V的實(shí)驗(yàn)，圖a中，采用原始PE隔膜的電池在過(guò)充15min后，電池泄漏，并冒出大量白煙，電池表面溫度達(dá)到104.8℃，而采用AlOOH改性隔膜的電池在過(guò)充過(guò)程中沒(méi)有泄漏或者冒煙，電池表面溫度達(dá)到103.4℃。
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