Những thay đổi mang lại bởi 4 vật liệu phân tách pin lithium mới cho pin lithium
Là một vật liệu chính cho pin lithium, bộ tách pin đóng một vai trò trong việc cô lập các electron,ngăn ngừa tiếp xúc trực tiếp giữa các điện cực dương và âm và cho phép các ion lithium trong chất điện giải đi tự doĐồng thời, bộ tách cũng đóng một vai trò quan trọng trong việc đảm bảo hoạt động an toàn của pin. . ngành công nghiệp phân tách pin lithium của đất nước tôi đang trong giai đoạn phát triển nhanh chóng, và các bộ phân tách ẩm dần dần trở thành con đường kỹ thuật chính.vẫn còn một khoảng cách lớn giữa mức độ kỹ thuật tổng thể của các máy tách trong nước và mức độ kỹ thuật của các công ty cấp nhất quốc tế.
Trong lĩnh vực phát triển công nghệ, các bộ tách polyolefin truyền thống không còn có thể đáp ứng nhu cầu hiện tại của pin lithium.Độ bền cao, và độ ẩm tốt cho chất điện giải là hướng phát triển của pin lithium-ion trong tương lai.
Là một vật liệu chính cho pin lithium, bộ tách đóng một vai trò trong cách ly điện tử,ngăn ngừa tiếp xúc trực tiếp giữa các điện cực dương và âm và cho phép các ion lithium trong chất điện giải đi tự doĐồng thời, bộ tách cũng đóng một vai trò quan trọng trong việc đảm bảo hoạt động an toàn của pin.
Trong trường hợp đặc biệt, chẳng hạn như tai nạn, đâm, lạm dụng pin, vv, bộ tách có thể bị hư hại một phần và gây tiếp xúc trực tiếp giữa các điện cực dương và âm,có thể gây ra phản ứng mạnh mẽ của pin và khiến pin bốc cháy và nổ.
Do đó, để cải thiện an toàn của pin lithium-ion và đảm bảo hoạt động an toàn và trơn tru của pin, bộ tách phải đáp ứng các điều kiện sau:
1- Sự ổn định hóa học: không phản ứng với chất điện giải và vật liệu điện cực
2. Độ ẩm: dễ ướt bằng chất điện giải và không kéo dài hoặc co lại
3. Độ ổn định nhiệt: chịu được nhiệt độ cao và có cách ly cao
4. Độ bền cơ học: độ bền kéo tốt để đảm bảo rằng sức mạnh và chiều rộng không thay đổi trong quá trình cuộn tự động
5. Độ xốp: độ xốp cao hơn để đáp ứng nhu cầu dẫn ion
Hiện nay, các bộ tách pin lithium được bán trên thị trường chủ yếu là các bộ tách polyolefin vi lỗ dựa trên polyethylene (PE) và polypropylene (PP).Loại máy tách này dựa trên chi phí thấp của nóNó được sử dụng rộng rãi trong bộ tách pin lithium do những ưu điểm như ổn định hóa học và ổn định điện hóa.
Tuy nhiên, do bề mặt lyophobic và năng lượng bề mặt thấp của vật liệu polyolefin, loại phân tách này có khả năng ướt kém với chất điện giải, ảnh hưởng đến tuổi thọ chu kỳ của pin.
Ngoài ra, vì nhiệt độ biến dạng nhiệt của PE và PP tương đối thấp (nhiệt độ biến dạng nhiệt của PE là 80-85 °C và PP là 100 °C),bộ tách sẽ bị co lại nhiệt nghiêm trọng khi nhiệt độ quá cao, do đó loại bộ tách này không phù hợp để sử dụng trong môi trường nhiệt độ cao.Bộ tách polyolefin truyền thống không thể đáp ứng các yêu cầu của các sản phẩm 3C và pin điện ngày nay.
Để đáp ứng nhu cầu phát triển của công nghệ pin lithium-ion, các nhà nghiên cứu đã phát triển các vật liệu tách pin lithium mới dựa trên các bộ tách polyolefin truyền thống.Máy tách không dệt sử dụng các phương pháp không dệt để định hướng hoặc sắp xếp ngẫu nhiên các sợi để tạo thành cấu trúc lưới sợi, và sau đó sử dụng các phương pháp hóa học hoặc vật lý để tăng cường màng để tạo thành một bộ phim, để nó có khả năng thấm không khí tốt và tỷ lệ hấp thụ chất lỏng.
Các vật liệu tự nhiên và vật liệu tổng hợp đã được sử dụng rộng rãi trong việc chuẩn bị màng không dệt. Các vật liệu tự nhiên chủ yếu bao gồm cellulose và các dẫn xuất của nó.Các vật liệu tổng hợp bao gồm polyethylene terephthalate (PET), polyvinylidene fluoride (PVDF), polyvinylidene fluoride (PVDF), vinylidene fluoride-hexafluoropropylene (PVDF-HFP), polyamide (PA), polyimide (PI), aramid (meta-aramid, PMIA; para-aramid PPTA), v.v..
1
Polyethylene terephthalate
Polyethylene terephthalate (PET) là một vật liệu có tính chất cơ học, nhiệt động học và cách điện tuyệt vời.Sản phẩm đại diện nhất của bộ tách PET là màng composite được phát triển bởi công ty Degussa của Đức, dựa trên các bộ tách PET và được phủ các hạt gốm. Nó thể hiện khả năng chống nhiệt tuyệt vời, với nhiệt độ tế bào kín lên đến 220 ° C.
Xiao Qizhen của Đại học Xiangtan và những người khác (2012) đã sử dụng phương pháp xoay điện để chuẩn bị bộ tách nanofibre PET.Các bộ tách nanofibre được sản xuất có cấu trúc mạng lỗ hổng ba chiều, đường kính trung bình của sợi là 300nm, và bề mặt mịn màng.
Điểm nóng chảy của bộ tách PET điện đan cao hơn nhiều so với phim PE, là 255 °C, độ bền kéo tối đa là 12Mpa, độ xốp đạt 89%,tỷ lệ hấp thụ chất lỏng đạt 500%, cao hơn nhiều so với bộ tách Celgard trên thị trường, và độ dẫn ion đạt 2,27 × 10-3Scm-1, và hiệu suất chu kỳ cũng tốt hơn so với bộ tách Celgard.Cấu trúc sợi xốp của bộ tách PET vẫn ổn định sau 50 chu kỳ sử dụng pin, như được thể hiện trong (a).
2
Polyimide
Polyimide (PI) cũng là một trong những polyme có tính chất toàn diện tốt. Nó có độ ổn định nhiệt tuyệt vời, độ xốp cao và khả năng chống nhiệt độ cao tốt,và có thể được sử dụng trong một thời gian dài ở -200 đến 300 °C.
Miao et al. (2013) sử dụng điện xoắn để tạo ra một bộ tách nanofibre PI. Nhiệt độ phân hủy của bộ tách là 500 ° C, cao hơn 200 ° C so với bộ tách Celgard truyền thống.Như thể hiện trong hình dưới đây, lão hóa và co lại nhiệt sẽ không xảy ra trong điều kiện nhiệt độ cao 150 °C.
Thứ hai, do tính cực mạnh của PI và khả năng ẩm ướt tốt của nó với chất điện giải, bộ tách sản xuất cho thấy tỷ lệ hấp thụ chất lỏng tuyệt vời.Bộ tách PI được làm bằng điện xoắn có trở kháng thấp hơn và hiệu suất tốc độ cao hơn so với bộ tách CelgardTỷ lệ giữ lại dung lượng vẫn là 100% sau 100 chu kỳ sạc và xả ở 0,2C.
(a) Sự co lại nhiệt của bộ tách Celgard, PI 40μm và 100μm trước khi (a, b, c) và sau khi (d, e, f) điều trị ở 150 °C;
3
metaramit
PMIA là một polyamide thơm có chuỗi phân nhánh meta-aniline trên xương của nó và có khả năng chống nhiệt lên đến 400 °C. Do tính chất chống cháy cao của nó,bộ tách sử dụng vật liệu này có thể cải thiện hiệu suất an toàn của pin.
Ngoài ra, do độ cực tương đối cao của nhóm carbonyl, bộ tách có khả năng ướt cao hơn trong chất điện giải, do đó cải thiện tính chất điện hóa của bộ tách.
Nói chung, các bộ tách PMIA được sản xuất bằng các phương pháp phi dệt, chẳng hạn như điện xoắn. Tuy nhiên, do các vấn đề vốn có của các bộ tách phi dệt, chẳng hạn như kích thước lỗ chân lông lớn hơn,tự xả sẽ ảnh hưởng đến hiệu suất an toàn và hiệu suất điện hóa của pinĐiều này hạn chế việc áp dụng các bộ tách không dệt may đến một mức độ nhất định, nhưng phương pháp đảo chiều pha có triển vọng thương mại do tính linh hoạt và khả năng điều khiển của nó.
Nhóm nghiên cứu Zhu Baoku của Đại học Tứ Giang (2016) đã sản xuất một bộ tách PMIA giống như bọt biển thông qua phương pháp đảo chiều pha, như được hiển thị trong hình.90% kích thước lỗ chân lông dưới micron, và độ bền kéo cao đến 10,3Mpa.
Máy tách PMIA được sản xuất bằng phương pháp đảo chiều pha có độ ổn định nhiệt tuyệt vời.Máy tách không co lại sau khi được xử lý ở nhiệt độ 160 °C trong 1 giờ.
Cũng do các nhóm chức năng cực mạnh, góc tiếp xúc của bộ tách PMIA nhỏ, chỉ 11,3 ° và cấu trúc giống như bọt biển cho phép nó hấp thụ chất lỏng nhanh chóng,cải thiện hiệu suất làm ướt của bộ tách, làm giảm thời gian kích hoạt pin, và ổn định chu kỳ dài.
Ngoài ra, do cấu trúc xốp kết nối với nhau bên trong cấu trúc giống như bọt biển của bộ tách PMIA, các ion lithium có thể được truyền trơn tru bên trong nó,do đó, độ dẫn ion của bộ tách được sản xuất bằng phương pháp đảo chiều pha là cao như 1.51mS ̇cm-1.
4
Polyparaphenylenebenzodiazole
Vật liệu polymer mới PBO (polyphenylenebenzodiazole) là một sợi hữu cơ có tính chất cơ học tuyệt vời, ổn định nhiệt và chống cháy.Ma trận của nó là một polymer cấu trúc chuỗi tuyến tính không phân hủy dưới 650 °CNó có độ bền và mô-đun cực cao và là một vật liệu sợi chống nhiệt và chống va chạm lý tưởng.
Bởi vì bề mặt sợi PBO cực kỳ mịn màng và bất lực về mặt vật lý và hóa học, hình thái sợi rất khó thay đổi.axit methylsulfonic, axit fluorosulfonic, vv Sau khi khắc axit mạnh mẽ, các sợi trên sợi PBO sẽ tách ra khỏi thân chính, tạo thành một hình thái sợi chia,cải thiện tỷ lệ diện tích bề mặt và sức mạnh liên kết giao diện.
(a) PBO sợi; (b) PBO nanofibre cấu trúc màng
Hao Xiaoming et al. (2016) đã sử dụng axit hỗn hợp axit methanesulfonic và axit trifluoroacetic để hòa tan các sợi PBO để tạo thành sợi nano,và sau đó chuẩn bị một phân tách nanoporous PBO thông qua phương pháp đảo chiều pha.
Sức mạnh cuối cùng của bộ tách có thể đạt 525Mpa, mô-đun Young là 20GPa, sự ổn định nhiệt có thể đạt 600 °C, góc tiếp xúc của bộ tách là 20 °,nhỏ hơn góc tiếp xúc 45 ° của bộ tách Celgard2400, và độ dẫn ion là 2,3 × 10 - 4S · cm-1, hoạt động tốt hơn so với bộ tách Celgard2400 thương mại trong điều kiện chu kỳ 0,1C.
Do quá trình sản xuất sợi PBO khó khăn, chỉ có một số ít các công ty trên toàn thế giới sản xuất sợi PBO chất lượng cao, và tất cả đều sử dụng polymerization monomer.Sợi PBO được sản xuất đòi hỏi xử lý axit mạnh và khó áp dụng trong lĩnh vực phân tách pin lithium..
Nhóm YoungMooLee của Đại học Hanyang (2016) đã sử dụng các hạt nano HPI (hydroxypolyimide) để chuẩn bị một bộ tách hợp chất nanofibre TR-PBO thông qua sắp xếp lại nhiệt.Ngoài sức mạnh cao và sức đề kháng nhiệt cao của vật liệu PBO, bộ tách Ngoài những lợi thế, phân bố kích thước lỗ chân lông tập trung hơn, kích thước lỗ chân lông nhỏ hơn và nó không cần phải được chuẩn bị trong điều kiện axit và kiềm mạnh.
