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陶瓷涂層在鋰電池中的應用

陶瓷涂層在鋰電池中的應用

  • 分類:最新動態
  • 作者:ZC-New Material
  • 來源:
  • 發布時間:2022-07-26
  • 訪問量:0

【概要描述】陶瓷涂層對于鋰離子電池性能有重要的影響,尤其是對鋰電池安全性能具有重要的意義。電極和隔膜表面的陶瓷化,不僅能顯著地降低電池的內短路率、提高安全性,還能改善極片和隔膜的電解液浸潤性,降低極化,提高電池的循環等綜合性能。

陶瓷涂層在鋰電池中的應用

【概要描述】陶瓷涂層對于鋰離子電池性能有重要的影響,尤其是對鋰電池安全性能具有重要的意義。電極和隔膜表面的陶瓷化,不僅能顯著地降低電池的內短路率、提高安全性,還能改善極片和隔膜的電解液浸潤性,降低極化,提高電池的循環等綜合性能。

  • 分類:最新動態
  • 作者:ZC-New Material
  • 來源:
  • 發布時間:2022-07-26
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詳情

       鋰離子電池具有高電壓、高容量、體積小、重量輕、環保以及長壽命等突出優點,已經廣泛應用于各種便攜式電子產品及電動汽車領域。但是鋰離子電池的安全性目前仍存在一定的問題,尤其是其在高溫、過充、短路等條件下的安全性問題,已成為動力型鋰離子電池大規模應用時必須攻克的技術難題。

       目前很多鋰電廠商采用了陶瓷粉體涂覆極片或采用陶瓷隔膜等與“陶瓷粉體”有關的材料來改善鋰電池的安全性。其實,陶瓷粉體并不是“陶瓷”,而是納米化的氧化鋁與勃姆石顆粒。這種特種氧化鋁與勃姆石是具有重要應用價值和發展前景的特種功能材料之一,具有很高的熱穩定性、化學穩定性、耐腐蝕性及高硬度等一系列優良特性,廣泛用于陶瓷材料、生物醫學材料、半導體材料、催化劑載體、表面防護層材料以及光學材料。正是由于納米氧化鋁這樣好的熱穩定性,被認為是很好的隔熱材料,有望在改善鋰離子電池的安全性能上做出重大貢獻。

       目前,特種氧化鋁、勃姆石產品主要用于涂覆于電極或隔膜上以提高隔膜安全性、降低內短路率最有效措施。
 

一、極片邊緣涂覆對電池的安全性和良品率具有重要意義。

勃姆石等材料亦可用在鋰電池電芯的極片涂覆,以提高鋰電池的安全性能及良品率。以比亞迪為例,刀片電池將采用勃姆石材料在電芯極片邊緣進行涂覆。極片涂覆可分別應用在電池的正極和負極:
(1)正極極片邊緣涂覆:由于正極片一般小于負極片,極片寬邊的邊緣在切割中容易出現毛刺,一旦刺穿隔膜接觸到負極會引起電池短路。
勃姆石表面光滑,涂覆后可填平正極邊緣,使切割后的表面光滑無毛刺。行業內由寧德時代率先使用勃姆石進行正極邊緣涂覆已形成示范效應,成功導入下游比亞迪、億緯鋰能等電池廠。
(2)負極極片邊緣涂覆:負極表面粗糙,涂覆超小粒徑的勃姆石后,負極造孔變得均勻,可以改善電解液親潤性,使得鋰離子在充放電過程中更加通暢。負極邊緣涂覆還未形成主流,目前有應用在 ATL 的消費電池上。

二、陶瓷隔膜

       目前,研究者主要從正負極材料、隔膜、電解液及電池設計等方面來改善電池性能,其中陶瓷隔膜是一種有效提高電池性能的途徑,陶瓷隔膜不僅可以提高電池的安全性能,也可提高電池的循環性能,降低自放電率。陶瓷隔膜可以提高鋰離子電池的循環及安全性能,但其制備過程較難控制,另外隔膜上的陶瓷在循環過程中也容易發生脫落。

1.形態差異

       市面上常見的隔膜是PP、PE、或者兩種復合加工制成。雖然這些微孔聚烯烴隔膜具有優異的機械強度及化學穩定性,但是這些隔膜由于制備過程中存在內應力,在高溫環境下應力釋放,隔膜會發生明顯的熱收縮效應從而使得電池內部正負極材料直接接觸導致內短路產生,發生安全故障。將納米氧化鋁或勃姆石顆粒涂覆于隔膜表層則能高效的提高鋰電池的安全性。將陶瓷粉體與PVDF、NMP溶解混合、分散均勻后,開啟涂布機將PE隔膜上進行陶瓷粉體涂布,陶瓷涂層厚度可以控制,之后在80℃下干燥24h即制得陶瓷隔膜。陶瓷隔膜微觀形貌如圖所示。

從圖中可以看出,涂覆的納米Al2O3顆粒完全覆蓋在PE隔膜的表面,且顆粒之間存在著不均一的較大空洞分布,這些較大空隙的存在能有利于Li+ 的嵌入與脫出且對電解液具有很好的吸液性及保液性能,從而不影響涂覆涂層后的隔膜對鋰電池的充放電性能。

2.熱收縮程度

       陶瓷涂層有利于提高隔膜的耐高溫性質,將陶瓷隔膜和普通隔膜放于不同溫度的箱子中2h,兩種隔膜在收縮率上有很大的區別。隔膜在高溫下會收縮是因為隔膜在制備過程中由于牽引拉伸使得隔膜存在內應力,在高溫環境下由于隔膜內部分子鏈的運動導致應力釋放從而發生大面積收縮;但是陶瓷涂層隔膜在140℃烘烤條件下除隔膜顏色發生變化以外其本身的形態未發生改變,當在隔膜表面兩側涂覆的無機涂層具有耐高溫隔熱性能,從而降低基體隔膜本身的溫度,使得隔膜在高溫環境下仍保持原有形態。

3.陶瓷隔膜有利于提高電池安全性
       PE隔膜在溫度高于其熔點溫度下會發生大面積收縮,從而使得電池內部正負極極片直接接觸導致內部短路因此所測電池內阻迅速降低;然而對于涂覆涂層的隔膜即使在150℃下烘烤其隔膜本身形態不會發生變化,因此電池內部不會出現短路情況從而使得電池內阻仍在增加。PE隔膜在高溫環境下會喪失機械穩定性能,從而導致電池內部發生正負極直接接觸導致短路,而陶瓷涂層隔膜由于具有耐高溫性能從而有效防止電池內部發生短路,提高電池的安全性能。

4.陶瓷隔膜對電池壽命的影響

       鋰離子電池隔膜不僅隔離電池內部正負極極片,而且需具備良好的離子通透能力,由于對隔膜進行涂覆無機涂層后會增加隔膜的厚度,從而有可能影響到離子的傳導性能,但實驗證明(圖7)其影響較弱,反而是涂有陶瓷涂層的隔膜循環性能更好。
  PP/PE隔膜都是非極性的,表面疏水且表面能較低,對極性的碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯等有機電解液較難潤濕和保持,這直接影響了電池的循環性能和使用壽命,而無機陶瓷表面由于羥基的存在,表面親水,它的引入能夠極大地提高隔膜或電極對電解液的潤濕和保持能力,大大提高電池的循環性能。同時,納米氧化鋁顆粒具有較大比表面積,可以提高電解液對極片的潤濕性和保液性,也有利于電池的循環壽命。

總結:

       綜上,陶瓷涂層對于鋰離子電池性能有重要的影響,尤其是對鋰電池安全性能具有重要的意義。電極和隔膜表面的陶瓷化,不僅能顯著地降低電池的內短路率、提高安全性,還能改善極片和隔膜的電解液浸潤性,降低極化,提高電池的循環等綜合性能。因此,陶瓷涂層的應用是今后鋰離子電池發展的必然趨勢。

 

 

資料來源:鋰電派 《陶瓷涂層在鋰電池中的應用》  文章僅供行業內學習和交流,如有侵權請聯系刪除。

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