鉅大LARGE | 點擊量：819次 | 2021年11月23日
華東理工研發新型超薄勃母石涂層隔膜 提升鋰離子電池安全性
安全性一直是鋰離子電池關注的要點，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險不斷升高，去年被炒的火熱的三星Note7手機爆炸事件，據信就是由于追求高能量密度，從而導致隔膜減薄，使得電池安全性降低，電池在特定的情況下會發生爆炸起火。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，人們開發了新型的涂層隔膜，在發生短路或者內短路的情況下，電池內部發生過熱，經過涂層處理后的隔膜能夠有效的阻止高溫收縮，從而防止正負極直接接觸短路，引發更為嚴重的熱失控，防止電池發生起火和爆炸等嚴重的安全問題。
傳統的涂層隔膜一般是使用Al2O3或者MgO顆粒作為原料，涂層厚度一般為2-3um，最近來自華中科技大學的ChongwenYang等人開發了一種勃母石(AlOOH)涂層隔膜，據ChongwenYang表示，該隔膜能夠在保證熱穩定性不變的前提下，大幅降低涂層的厚度1.15um，這重要是因為PE達到140℃融化后，AlOOH與PE之間相互融合出現穩定的界面結構，從而防止PE隔膜繼續收縮，目前該研究成果已經發表在了最新一期的《JournalofPowerSource》雜志上。
實驗中ChongwenYang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控制滾涂的速度來進行控制。ChongwenYang分別測試了上述改造隔膜和未改造隔膜的收縮率和潤濕性，以及離子電導率，用來比較兩種隔膜的性能。
安全性一直是鋰離子電池關注的要點，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險不斷升高，去年被炒的火熱的三星Note7手機爆炸事件，據信就是由于追求高能量密度，從而導致隔膜減薄，使得電池安全性降低，電池在特定的情況下會發生爆炸起火。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，人們開發了新型的涂層隔膜，在發生短路或者內短路的情況下，電池內部發生過熱，經過涂層處理后的隔膜能夠有效的阻止高溫收縮，從而防止正負極直接接觸短路，引發更為嚴重的熱失控，防止電池發生起火和爆炸等嚴重的安全問題。
傳統的涂層隔膜一般是使用Al2O3或者MgO顆粒作為原料，涂層厚度一般為2-3um，最近來自華中科技大學的ChongwenYang等人開發了一種勃母石(AlOOH)涂層隔膜，據ChongwenYang表示，該隔膜能夠在保證熱穩定性不變的前提下，大幅降低涂層的厚度1.15um，這重要是因為PE達到140℃融化后，AlOOH與PE之間相互融合出現穩定的界面結構，從而防止PE隔膜繼續收縮，目前該研究成果已經發表在了最新一期的《JournalofPowerSource》雜志上。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
實驗中ChongwenYang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控制滾涂的速度來進行控制。ChongwenYang分別測試了上述改造隔膜和未改造隔膜的收縮率和潤濕性，以及離子電導率，用來比較兩種隔膜的性能。
在對隔膜進行的其他性能測試中發現，結果如下表所示，從結果來看，改性隔膜的針刺強度和抗拉強度僅有輕微的下降，但是在透氣性方面卻相比原始PE隔膜有20%左右的下降，這將會對離子遷移出現一定的影響，但是好在這一劣勢被AlOOH改性隔膜良好的潤濕性所抵消，原始PE隔膜的潤濕角為42.5度，而AlOOH改性隔膜的潤濕角是0度，表明改性隔膜具有優異的電解液潤濕性。
離子電導率也是影響隔膜離子通過性的一個重要的指標，離子電導率測試是將隔膜制成扣式電池，然后采用交流阻抗方式進行測試，然后利用下式進行計算，其中d和S分別是隔膜的厚度和面積，Rb為等效電阻。測試結果顯示，AlOOH改性隔膜的離子電導率為6.56′10-3S/cm，而原始的PE隔膜的離子電導率僅為3.48′10-3S/cm。
ChongwenYang還利用上述隔膜制成了LTO半電池，用于測試改性隔膜的倍率性能和循環性能，測試結果如下圖所示。從倍率測試結果來看，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。循環測試同樣表明AlOOH涂層處理能夠改善電池的循環性能，在1C倍率下循環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倍率下過充到10V的實驗，圖a中，采用原始PE隔膜的電池在過充15min后，電池泄漏，并冒出大量白煙，電池表面溫度達到104.8℃，而采用AlOOH改性隔膜的電池在過充過程中沒有泄漏或者冒煙，電池表面溫度達到103.4℃。
總的來說，AlOOH涂層，能夠在較低的涂層厚度的前提下，顯著的提升隔膜的熱穩定性，提升鋰離子電池的安全性，改善電池的倍率性能和循環性能，同時較薄的涂層厚度有助于提升鋰離子電池的體積能量密度和重量能量密度。
上一篇：動力鋰電池包輕量化路線之電芯選擇
