Die nächste Generation von Lithium-Ionen-Batterien wird aus Membranmaterial hergestellt.

Polaris-Energiespeichernetzwerk: Lithium-Ionen-Akkus werden aufgrund ihrer hohen Energiedichte und langen Lebensdauer sowie anderer Vorteile häufig in mobilen elektronischen Geräten und Leistungsgeräten verwendet. Allerdings haben Tesla-Ereignisse, Samsung-Handy-Ereignisse und häufige Sicherheitsunfälle mit Lithium-Ionen-Batterien allmählich zugenommen zog die Aufmerksamkeit der Menschen auf sich. Die Batteriemembran (Abbildung 2) kann als eine der wichtigen Komponenten der Lithium-Ionen-Batterie den Lithium-Ionen-Übertragungskanal bereitstellen und einen Kurzschluss im Kontakt zwischen positiven und negativen Elektroden verhindern, was einen sehr wichtigen Einfluss auf die Sicherheit der Lithium-Ionen-Batterie hat . Lithium-Ionen-Batteriemembran, um die folgenden Bedingungen zu erfüllen:

(1) es hat eine elektronische Isolierung, um die mechanische Isolierung von positiven und negativen Elektroden sicherzustellen;

(2) es hat eine bestimmte Porosität und Porengröße, um einen geringen Widerstand und eine hohe Ionenleitfähigkeit sowie eine gute Permeabilität für Lithiumionen sicherzustellen;

(3) Beständigkeit gegen Elektrolytkorrosion, gute elektrochemische Stabilität;

(4) gute Infiltration des Elektrolyten und ausreichendes Feuchtigkeitsrückhaltevermögen;

(5) ausreichende mechanische Eigenschaften, einschließlich Durchstoßfestigkeit, Zugfestigkeit usw.;

(6) gute räumliche Stabilität und Glätte;

(7) gute thermische Stabilität.

Lithium-Ionen-Akkus mit ihren einzigartigen Vorteilen besetzten schnell den traditionellen Batteriemarkt und wurden häufig verwendet. Mobiltelefone, Laptops, Kameras, Kameras und andere Elektronik- und Informationsprodukte verwenden jetzt Lithium-Ionen-Akkus als Stromversorgung. In einigen High-End-Anwendungen wie Leistungsbatterien und anderen Lithium-Ionen-Batterieanwendungen mit großer Kapazität wurden sie jedoch nicht gefördert und populär gemacht. Einer der wichtigen Gründe ist, dass die Leistung der vorhandenen Lithium-Ionen-Membran die Anforderungen der High-End-Batteriemembran nicht erfüllen konnte. Anforderungen an die Membran der High-End-Batterie:

(1) Hochtemperatursicherheit

(2) Hochleistungs-Lade- / Entladeleistung

(3) hohe Lebensdauer.

Die Polyolefinmembran kann bei hohen Temperaturen geschlossen werden, was die weitere Wärmeableitung verhindert. Sie ist heute die am weitesten verbreitete Lithium-Ionen-Batteriemembran. Gegenwärtig ist das am weitesten verbreitete Polyolefinmembranmaterial Polyethylen (PE) und Polypropylen (PP), dessen Erweichungsverformung in mehr als 100 ° C auftrat. Polyolefinpolymere haben eine schlechte Wärmebeständigkeit und können bei Überladung und Überentladung, schneller Ladung und Entladung oder hoher Temperatur schmelzen, was zu Kurzschluss, Feuer und sogar Explosion führt. Andererseits ist die Elektrolytinfiltration von Polyolefinmembranen unzureichend. Um die thermische Stabilität der Polyolefinmembran und die Infiltration des Elektrolyten zu verbessern, besteht die Hauptlösung derzeit darin, eine hochtemperaturbeständige Beschichtung auf eine oder beide Seiten der Polyolefinmembran aufzutragen oder neue Membranmaterialien mit guter thermischer Stabilität zu finden, die ersetzt werden können Polyolefin.

Eine hochtemperaturbeständige Beschichtung auf einem Polyolefin-Grundfilm ist ein üblicher Weg, um eine Polyolefinmembran zu modifizieren, die wenig Einfluss auf die elektrochemischen Eigenschaften und die thermischen Porenverschlusseigenschaften der Batterie hat, jedoch das thermische Schrumpfen der Membran wirksam verringern kann, wodurch die Sicherheit von verbessert wird litium-ionen-batterie. Gegenwärtig wird eine anorganische keramikbeschichtete Membran am häufigsten auf dem Markt verwendet. Da jedoch keramische Nanopartikel zur Agglomeration neigen und es schwierig ist, den Basisfilm gleichmäßig zu beschichten, führt dies auch zu einer ernsthaften Lochblockierung, was zu einer Zunahme der Ionen führt Übertragungswiderstand, der die Recyclingleistung der Lithiumbatterie beeinträchtigt. Darüber hinaus ist beim Zusammenbau der Batterie die Kombinationsleistung von anorganischer Keramik und Substrat schlecht, und die Keramikbeschichtung fällt leicht ab. Durch Zugabe von gewöhnlichem Bindemittel zur Erhöhung der Adhäsionskraft wird jedoch die Durchlässigkeit der Membran schlechter und der Innenwiderstand der Batterie wird erhöht. Aufgrund dieser Mängel bei der Keramikbeschichtung wurde die Verwendung von hochtemperaturbeständigen Polymeren als Beschichtungsmaterialien immer mehr erforscht.

Eine andere Lösung besteht darin, das neue Membranmaterial zu wählen, um die traditionellen hochtemperaturbeständigen Polyolefinmaterialien zu ersetzen, einschließlich natürlicher Materialien und synthetischer Materialien, natürlicher Materialien mit Cellulose und ihren Derivaten, synthetischer Materialien einschließlich Poly (ethyl-2-terephthalat (PET) und Poly (vinylidenfluorid) ) (PVDF), Poly (vinylidenfluorid - Hexafluorpropylen (PVDF HFP), Polyamid (PA), Polyimid (PI), Aramid (a zwischen Aramid (PMIA); Para-Aramidfaser (PPTA) usw.

PI ist eine Art Polymer, das einen Polyamidring an der Hauptkette enthält, eines der organischen Polymermaterialien mit der besten Gesamtleistung. Seine Beständigkeit gegen hohe Temperaturen über 400 ° C, die langfristige Verwendung von Temperaturen zwischen 200 und 300 ° C, kein offensichtlicher Schmelzpunkt, hohe Isolationsleistung, 1000-Hz-Dielektrizitätskonstante von 4,0, dielektrischer Verlust von nur 0,004 bis 0,007, gehören zur Klasse F. H Isolierung. Es ist weit verbreitet in der Luftfahrt, Luft- und Raumfahrt, Mikroelektronik, Nano, Flüssigkristall, Trennfilm, Laser und anderen Bereichen. Aufgrund seiner herausragenden Vorteile in Bezug auf Leistung und Synthese wurde PI, ob als Strukturmaterial oder als Funktionsmaterial, für seine enorme Anwendungsperspektive voll anerkannt und ist als "problemlösbarer Experte" bekannt.

Als Membran hat die PI-Membran viele Vorteile gegenüber der herkömmlichen Polyolefinmembran: Erstens hat sie eine gute Hochtemperaturbeständigkeit, die die Sicherheitsleistung einer Lithiumionenbatterie verbessern kann; Zweitens hat die poröse PI-Membran eine hohe Porosität, PI hat eine große Anzahl polarer Gruppen, die Membran hat eine hohe Ionenleitfähigkeit, die Infiltration des Elektrolyten ist sehr gut, so dass die Lithiumionenbatterie zum Laden und Entladen mit hoher Geschwindigkeit geeignet ist , verkürzen Sie die Ladezeit und verlängern Sie die Lebensdauer des Lithium-Ionen-Akkus. Daher wird erwartet, dass die PI-Membran die nächste Generation von Lithium-Ionen-Batteriemembranmaterial ist. PI wird auf zwei Arten in die Lithium-Ionen-Batteriemembran eingebracht. Eine besteht darin, die Basismembran mit PI zu beschichten, um die Basismembran zu modifizieren, um die Beschichtungsmembran herzustellen; Die andere besteht darin, PI als Substratmembran zu verwenden.

1. Modifizierte Membran

Eine PI-Beschichtung auf der Basismembran kann die thermische Stabilität der Membran verbessern. Der Basisfilm kann aus Polyolefinmembranen wie PE, PP, PP / PE / PP oder Vliesstoffen wie Ethylenphthalat (PET), Polyethylenoxid (PEO), Polyacrylnitril (PAN) und Cellulose bestehen. Die Form der PI-Beschichtung auf dem Basisfilm kann ein Partikel-, Faser- oder poröser Film sein. Die eingeführte Form kann je nach Art des verwendeten Basisfilms Polyamidsäure (PAA) oder PI sein. Jung-ki Park et al. [1] P84 in N, n-Dimethylformamid-Lösungsmittel gelöst und auf beiden Seiten des PE-Basisfilms beschichtet. Nach der Verflüchtigung des Lösungsmittels wurde eine PI-Verbundmembran gebildet, und PI bildete kugelförmige Partikel auf einem PE-Basisfilm. Die Verbundmembran in beeinflusst die Membran aufgrund der elektrochemischen Leistung von PE nicht, um die thermische Stabilität der Membran zu verbessern. Die Membran kann eine hohe Temperatur von 140 ° C aushalten. Xingxing Liang [2] et al. Herstellung einer PAA-Nanofasermembran durch Elektrospinnen einer PAA-Lösung und Herstellung einer porösen PI-Membran durch thermische Imination einer PAA-Nanofasermembran. Dann wurde die poröse PI-Membran in PEO-Lösung eingeweicht und die Verbundmembran aus PI / PEO wurde nach dem Trocknen erhalten. Liu Jian [3] von SiO2 @ PI-Lösung wie elektrostatische Spinnherstellung von SiO2 @ PI-Film, Konfiguration von Ethylcellulose (EC) und Polyvinylpyrrolidon (PVP), Gießlösung tränkte den PE-Film in der Gießlösung und wusch danach im Wasser PVP, beide Seiten der porösen Membran der PE-Membranbildung von EC, wird schließlich SiO2 @ @ PI PI-Film, EC @ PE-Film, SiO2 @ Heißpressen der Sandwich-PI PI-Membran-Verbundmembran, die Verbundmembran unter 180 ° Wärmeschrumpfung bis 0, gute Beständigkeit gegen hohe Temperaturen (Abbildung 3). Chuan Shi et al. [4] berichteten, dass sie Al2O3-Nanopartikel mit PI mischten, um eine Gießfilmlösung herzustellen, und diese auf eine Seite des PE-Basisfilms beschichteten. PI kann als Bindemittel dienen, um Keramiken besser auf PE-Folien zu binden, und die Verbundfolie zeigt eine gute Elektrolytinfiltration, hohe Temperaturbeständigkeit und Batterie

2. Neue Systemmembran

PI wird allein als Grundmaterial in der Lithiumbatteriemembran verwendet. Am gebräuchlichsten ist die durch elektrostatisches Spinnen hergestellte Nanofasermembran, die durch Phasenumwandlung oder Templatverfahren hergestellte poröse Membran und die durch Ätzen, Sintern und andere Verfahren hergestellte poröse PI-Membran.

LiyunCao [5] und andere werden durch das Verfahren der elektrostatischen Spinnherstellung von Nanometerfasern erhalten. PI-Wiki-Vlies kann Stabilität unter 500 ° C hoher Temperatur (Abbildung 3), Porenrate von 90%, Polarität der Elektrolytflüssigkeitsabsorption verwendet werden Rate ist hoch, niedrige Impedanz, Verhältnisleistung ist gut, 5 c Lade- und Entladekapazität bleiben nach 320-mal bei einer Rate von 99,66%. Ying, Wang [6] et al. Herstellung von PAA und SiO2 zu Spinnlösung, elektrostatische Spinnherstellung einer PAA / SiO2-Nanofasermembran und anschließender Erhalt des PI der porösen thermischen / SiO2-Membran mit einer Porosität von bis zu 90% und einer Elektrolytabsorptionsrate von bis zu 2400% (gewöhnliches PP) Die Absorptionsrate der Membranflüssigkeit von nur 169%, die Temperaturen von bis zu 250 ° C standhält, zeigt die gute Leistung und Zyklusleistung. Jaritphun Shayapat et al. [7] stellten auch poröse PAA / SiO2- und PAA / Al2O3-Membranen durch elektrostatisches Spinnen her.

Baoku Zhu [8] usw. machte die PAA-Lösung mit nicht lösungsmittelinduziertem Phasentrennungsverfahren zur Herstellung einer porösen PAA-Membran und erhielt dann den PI der thermisch porösen Membran durch Steuern des Filmbildungszustands, machte eine Öffnung bei etwa 0,5 Mikron, gleichmäßige Verteilung, Bei der schwammigen porösen PI-Membran konnte die Ionenleitfähigkeit der porösen Membran 2,15 mS / cm erreichen, eine 250% ige Flüssigkeitsabsorptionsrate unter 180 ° C Schrumpfschlauch (Abbildung 5). Xuyao Hu [9] und streuen SiO2 in PI NMP-Lösung und lassen dann die Mischung trocknen, wobei HF-Ätzen SiO2 eine PI-poröse Membran erhält und im Vergleich zur PP-Membran festgestellt wird, dass die PI-poröse Membran unter 180 ° C keine offensichtliche Schrumpfung aufweist. Verbessern Sie die Sicherheit des Lithium-Ionen-Akkus.

【 Fazit 】

Mit der Entwicklung der elektronischen Informations- und neuen Energiebranche wurden höhere Anforderungen an die Leistung von Lithium-Ionen-Batterien gestellt, insbesondere an Leistungsbatterien für Fahrzeuge mit neuer Energie. Als eines der vier Hauptmaterialien der Lithium-Ionen-Batteriemembran wirkt sich dies direkt auf die Sicherheit der Batterie aus. Dicke, Porosität, Flüssigkeitsabsorptionsrate, chemische Stabilität und elektrostatischer Wert wirken sich direkt auf die elektrische Leistung der Batterie aus. Herkömmliche Polyolefinmembranen weisen eine schlechte Flüssigkeitsabsorptionsrate und eine hohe Temperaturbeständigkeit auf, weshalb eine neue Generation von Membranmaterialien mit guter thermischer Stabilität und guter Elektrolytinfiltration entwickelt werden muss. Die Struktur und Leistung von PI machen es zu einer Lithiumbatteriemembran, und herkömmliche PE-PP-Folien haben einen großen Vorteil. Dupont gab am 4. August 2010 bekannt, dass es einen Polyimid-Nanofaser-Wiki-Separator für Lithium-Ionen-Batterien entwickelt hat, mit dem sich die Batterieleistung und die Lebensdauer um bis zu 15 bis 30 Prozent verbessern lassen. Die selbsttragende PI-Nanofaser-Batteriemembran, hergestellt von Jiangxi Xiancai Co., Ltd. durch elektrostatisches Spinnen ist die Pilotstufe eingetreten, die die Eigenschaften hoher Sicherheit, hoher Vergrößerung und langer Lebensdauer aufweist.

Bisher hat die in- und ausländische Forschung an PI-Membranen viele Stadienergebnisse erzielt, aber zusätzlich zu Dupont befindet sich der größte Teil der PI-Membran noch in der Laborforschungsphase, zusätzlich zum Mangel an Produktionsanlagen für PI-Lithiumbatteriemembranen. Die Materialkosten sind hoch, was dazu führt, dass die PI-Lithiumbatteriemembran auf dem heimischen Markt immer noch eine große Lücke darstellt. Daher müssen Unternehmen aus Polymermaterialien Wege finden, um die PI-Kosten bei Monomersynthese- und Polymerisationsverfahren zu senken. Unternehmen, die Membranen herstellen, und Unternehmen, die Geräte verarbeiten, arbeiten zusammen, um so schnell wie möglich eine industrialisierte Produktion von PI-Lithiumbatteriemembranen zu erreichen.

Referenz

1. Jongchan Song, Myung-Hyun Ryou, Bongki Son et al. Co-Polyie-beschichtete Polyethylen-Separatoren für verbesserte thermische Stabilität von Lithium-Ionen-Batterien. Electrochimica Acta, 2012, 85: 524 & ndash; 530.

2. Xingxing Liang, Ying Yang, Xin Jin et al. Mit Polyethylenoxid beschichteter elektrogesponnener Polyie-Faserabscheider für Hochleistungs-Lithium-Ionen-Batterien, Journal of Materials Science & Technology, 2015.

3. Jian Liu, Yanbo Liu, Wenxiu Yang et al. Lithium-Ionen-Batterieseparator mit hoher Leistung und hoher Sicherheit durch dreischichtige SiO2 @ PI / m-PE / SiO2 @ PI-Nanofaser-Verbundmembran. Journal of Power Sources, 2018, 396: 265 & ndash; 275.

4. Chuan Shi, Jianhui Dai, Xiu Shen et al. Ein hochtemperaturstabiler keramikbeschichteter Separator, hergestellt mit Polyie-Bindemittel / Al2O3-Partikeln für Lithium-Ionen-Batterien. Journal of Membrane Science, 2016, 517: 91 & ndash; 99.

5. Liyun Cao, Ping An, Zhanwei Xu et al. Leistungsbewertung von elektrogesponnenen Polyie-Vlies-Separatoren für Hochleistungs-Lithium-Ionen-Batterien. Journal of Electroanalytical Chemistry, 2016, 767: 34 & ndash; 39.

6. Ying Wang, Suqing Wang, Junqi Fang et al. Ein Nano-Silica-modifizierter Polyie-Nanofaser-Separator mit verbesserten Wärme- und Benetzungseigenschaften für hochsichere Lithium-Ionen-Batterien. Journal of Membrane Science, 2017, 537: 248 & ndash; 254.

7. Jaritphun Shayapat, Ok Hee Chung, Jun Seo Park et al. Elektrogesponnener Polyie-Composite-Separator für Lithium-Ionen-Batterien, Electrochimica Acta, 2015.

8. Hong Zhang, Chuner Lin, Mingyong Zhou et al. Polyie-Separatoren mit hoher Wärmebeständigkeit, hergestellt über einen löslichen Vorläufer und ein nicht lösungsmittelinduziertes Phasentrennungsverfahren für Lithiumionenbatterien, Electrochimica Acta, 2016, 187: 125-133.

9. Xuyao Hu, Yaowu Wang, Tao Cui et al. Herstellung einer mikroporösen PI-Membran für Lithiumionenbatterien, Advanced Materials Research, 2014, 834: 104-107.