การเปลี่ยนแปลงที่นํามาด้วยวัสดุแยกแบตเตอรี่ลิตியம்ใหม่ 4 ชิ้น

เป็นวัสดุสําคัญสําหรับแบตเตอรี่ลิเดียม เครื่องแยกแบตเตอรี่มีบทบาทในการแยกอิเล็กตรอนป้องกันการสัมผัสตรงระหว่างอิเล็กทรอัดบวกและลบ และอนุญาตให้ไอออนลิธีียมในเอเลคโทรลิตผ่านไปอย่างอิสระในขณะเดียวกัน เครื่องแยกยังมีบทบาทสําคัญในการรับประกันการทํางานที่ปลอดภัยของแบตเตอรี่ อุตสาหกรรมแยกแบตเตอรี่ลิเดียมในประเทศของฉันอยู่ในระยะของการพัฒนาอย่างรวดเร็ว และแยกแบตเตอรี่แบบเปียกยังมีช่องว่างที่ใหญ่ระหว่างระดับเทคนิคทั่วไปของเครื่องแยกในประเทศกับระดับเทคนิคของบริษัทระดับหนึ่งระหว่างประเทศ.

ในด้านการพัฒนาเทคโนโลยี เครื่องแยกพอลิโอเลฟินแบบดั้งเดิม ไม่สามารถตอบสนองความต้องการปัจจุบันของแบตเตอรี่ลิธีียมได้ความแข็งแรงสูงและความสามารถในการเปียกของอิเล็กทรอลิทเป็นทิศทางการพัฒนาของแบตเตอรี่ลิตியம்ไอออนในอนาคต

เป็นวัสดุสําคัญสําหรับแบตเตอรี่ลิเดียม เครื่องแยกมีบทบาทในการแยกอิเล็กทรอนิกส์ป้องกันการสัมผัสตรงระหว่างอิเล็กทรอัดบวกและลบ และอนุญาตให้ไอออนลิธีียมในเอเลคโทรลิตผ่านไปอย่างอิสระในขณะเดียวกัน เครื่องแยกยังมีบทบาทสําคัญในการรับรองการทํางานที่ปลอดภัยของแบตเตอรี่

ในสถานการณ์พิเศษ เช่น อุบัติเหตุ, การเจาะ, การใช้แบตเตอรี่ผิดปกติ, ฯลฯ เครื่องแยกอาจได้รับความเสียหายบางส่วนและทําให้สัมผัสตรงระหว่างไฟฟ้าบวกและลบซึ่งอาจกระตุ้นปฏิกิริยาของแบตเตอรี่อย่างรุนแรง และทําให้แบตเตอรี่ลุกไฟและระเบิด.

ฉะนั้น เพื่อเพิ่มความปลอดภัยของแบตเตอรี่ลิตিয়ামไอออน และให้แน่ใจว่าแบตเตอรี่ทํางานอย่างปลอดภัยและเรียบร้อย เครื่องแยกต้องตอบสนองเงื่อนไขต่อไปนี้

1. ความมั่นคงทางเคมี: ไม่ปฏิกิริยากับเอเลคโทรลิตและวัสดุไฟฟ้า

2ความสามารถในการชื้น: ง่ายที่จะชื้นด้วยเอเลคโทรลิตและไม่ยืดหรือหด

3. ความมั่นคงทางความร้อน: ทนกับอุณหภูมิสูงและมีการแยกไฟฟิวส์สูง

4ความแข็งแรงทางกล: ความแข็งแรงในการดึงที่ดีเพื่อให้แน่ใจว่าความแข็งแรงและความกว้างยังคงไม่เปลี่ยนแปลงระหว่างการล่ออัตโนมัติ

5. porosity: porosity ที่สูงขึ้นเพื่อตอบสนองความต้องการของการนํายอน

ปัจจุบัน เครื่องแยกแบตเตอรี่ลิทธิียมที่นําไปจําหน่ายในตลาดเป็นส่วนใหญ่เป็น เครื่องแยกพอลิโอเลฟินแบบไมโครโปโรเรซิส โดยใช้พอลิเอเธลีน (PE) และพอลิโปรพีเลน (PP)เครื่องแยกประเภทนี้ขึ้นอยู่กับราคาที่ต่ํา, คุณสมบัติทางกลที่ดีและดีเยี่ยม มันถูกใช้อย่างแพร่หลายในเครื่องแยกแบตเตอรี่ลิเดียม เนื่องจากข้อดีของมัน เช่น ความมั่นคงทางเคมีและความมั่นคงทางไฟฟ้าเคมี

อย่างไรก็ตาม เนื่องจากพื้นผิวที่หลั่งและพลังงานพื้นผิวที่ต่ําของวัสดุพอลิโอเลฟินเอง เครื่องแยกประเภทนี้มีความชื้นของอิเล็กทรอลิทที่ไม่ดี ซึ่งส่งผลต่ออายุของวงจรของแบตเตอรี่.

นอกจากนี้ เนื่องจากอุณหภูมิการปรับปรุงความร้อนของ PE และ PP น้อยมาก (อุณหภูมิการปรับปรุงความร้อนของ PE คือ 80-85 °C และ PP คือ 100 °C)เครื่องแยกจะลดความร้อนอย่างรุนแรงเมื่ออุณหภูมิสูงเกินไปดังนั้น เครื่องแยกประเภทนี้ไม่เหมาะสําหรับการใช้ในสภาพอากาศที่มีอุณหภูมิสูงเครื่องแยกพอลิโอเลฟินแบบดั้งเดิมไม่สามารถตอบสนองความต้องการของสินค้า 3C และแบตเตอรี่พลังงานในปัจจุบันได้.

เพื่อตอบสนองความต้องการการพัฒนาของเทคโนโลยีแบตเตอรี่ลิตিয়ামไอออน นักวิจัยได้พัฒนาวัสดุแยกแบตเตอรี่ลิตিয়ামใหม่หลายชนิดตามพื้นฐานของเครื่องแยกพอลิโอเลฟินแบบดั้งเดิมเครื่องแยกที่ไม่เนื้อผ้าใช้วิธีที่ไม่เนื้อผ้าเพื่อตั้งทิศทางหรือจัดเรียงเส้นใยอย่างสุ่มเพื่อสร้างโครงสร้างเส้นใย Meshแล้วใช้วิธีทางเคมีหรือทางฟิสิกส์เพื่อเสริมผิวหนังเพื่อสร้างฟิล์ม เพื่อให้มีความสามารถในการผ่านอากาศที่ดีและอัตราการดูดซึมของของเหลว

วัสดุธรรมชาติและวัสดุสังเคราะห์ได้ถูกใช้อย่างแพร่หลายในการจัดทําเยื่อที่ไม่เนื้อผ้า วัสดุธรรมชาติส่วนใหญ่ประกอบด้วยเซลลูโลสและสารกําเนิดของมันวัสดุสังเคราะห์ประกอบด้วย โพลีเอธีเลน เทเรฟตาเลต (PET), โพลีไวนิลีดีนฟลูอเรด (PVDF), โพลีไวนิลีดีนฟลูอเรด (PVDF), โพลีไวนิลีดีนฟลูอเรด-เฮกซาฟลูอเรดโพรพีเลน (PVDF-HFP), โพลียามิด (PA), โพลียามิด (PI), อารามิด (เมตาอารามิด, PMIA; ปาราอารามิด PPTA) เป็นต้น.

1

โพลีเอธิลีนเทเรฟธาเลต

โพลีเอธีเลน เทเรฟตาเลต (PET) เป็นวัสดุที่มีคุณสมบัติทางกลที่ดีเยี่ยม คุณสมบัติทางเทอร์โมไดนามิก และคุณสมบัติการกันไฟฟ้าผลิตภัณฑ์ที่เป็นตัวแทนของเครื่องแยก PET คือเยื่อประกอบที่พัฒนาโดยบริษัท Degussa ของเยอรมนี, ซึ่งใช้เครื่องแยก PET และเคลือบด้วยอนุภาคเซรามิก มันแสดงความทนความร้อนที่ดีมาก, ด้วยอุณหภูมิเซลล์ปิดสูงถึง 220 °C

ซิโอ ชิเจน จากมหาวิทยาลัยซียงตาน และคนอื่น ๆ (2012) ใช้วิธีการ electrospinning เพื่อเตรียมตัวแยก nanofiber PETเครื่องแยกเส้นใยนาโนที่ผลิตมีโครงสร้างเครือข่ายขุม 3 มิติกว้างเส้นใยเฉลี่ย 300nm และผิวเรียบ

จุดละลายของเครื่องแยก PET ที่ถูกชักด้วยไฟฟ้าสูงกว่าของหนัง PE มากมาก ซึ่ง 255 °C ความแข็งแรงต่อการดึงสูงสุดคือ 12Mpa ความขวางถึง 89%,อัตราการดูดซึมของของเหลวถึง 500%, ซึ่งสูงกว่าเครื่องแยก Celgard ในตลาดมาก และความสามารถในการนํายอนถึง 2.27 × 10-3Scm-1, และผลประกอบการวงจรยังดีกว่าเครื่องแยก Celgard.โครงสร้างเส้นใย porous ของตัวแยก PET ยังคงคงหลังจาก 50 วงจรของวงจรแบตเตอรี่ตามที่แสดงใน (a)

2

โพลีไมด

โพลีไมมิด (PI) เป็นอีกหนึ่งจากพอลีเมอร์ที่มีคุณสมบัติครบวงจรที่ดี มีความมั่นคงทางอุณหภูมิที่ดีมาก ความขัดขวางสูง และทนอุณหภูมิสูงที่ดีและสามารถใช้ได้นานในอุณหภูมิ -200 ถึง 300 °C.

Miao et al. (2013) ใช้ electrospinning เพื่อสร้างเครื่องแยกเนโนไฟเบอร์ PI อุณหภูมิการละลายของเครื่องแยกคือ 500 ° C ซึ่งสูงกว่าเครื่องแยก Celgard แบบดั้งเดิม 200 ° Cดังที่แสดงในรูปด้านล่าง, การแก่ตัวและการหดตัวทางความร้อนจะไม่เกิดขึ้นในสภาพอุณหภูมิสูง 150 °C

ในอันดับที่สอง เนื่องจากความขั้วของ PI ที่แข็งแรงและความสามารถในการชื้นของมันกับสารประกอบไฟฟ้าที่ดี เครื่องแยกที่ผลิตแสดงอัตราการดูดซึมของของเหลวที่ดีเครื่องแยก PI ผลิตโดยการ electrospinning มีอุปสรรคต่ํากว่าและความสามารถอัตราการทํางานสูงกว่าเครื่องแยก Celgardอัตราการเก็บรักษาความจุยังคงอยู่ที่ 100% หลังจากชาร์จและปล่อยของรอบ 100 ครั้งที่ 0.2C

(a) การหดตัวด้วยความร้อนของเซลการ์ด, PI 40μm และ 100μm เซปเรเตอร์ก่อน (a, b, c) และหลัง (d, e, f) การรักษาที่ 150 °C

3

เมตาอารามิด

PMIA เป็นพอลิยามิดอารมะที่มีโซ่ขาข่ายเมตา-อานิลินบนกระดูกของมัน และมีความทนต่อความร้อนถึง 400 °C เนื่องจากคุณสมบัติการยั้งไฟสูงเครื่องแยกที่ใช้วัสดุนี้สามารถปรับปรุงความปลอดภัยของแบตเตอรี่ได้.

นอกจากนี้, เนื่องจากขั้วขั้วสูงของกลุ่มคาร์บอนิล, เครื่องแยกมีความชื้นสูงขึ้นในสารประกอบไฟฟ้า, โดยผลลัพธ์การปรับปรุงคุณสมบัติไฟฟ้าเคมีของ เครื่องแยก.

โดยทั่วไป, เครื่องแยก PMIA ถูกผลิตโดยวิธีที่ไม่ใช้อเนื้อผ้า, เช่น electrospinning. อย่างไรก็ตาม, เนื่องจากปัญหาที่เกี่ยวข้องกับ เครื่องแยกที่ไม่ใช้อเนื้อผ้า, เช่นขนาด pore ที่ใหญ่การออกกําลังกายด้วยตนเองจะส่งผลกระทบต่อผลการทํางานด้านความปลอดภัยและผลการทํางานด้านเคมีไฟฟ้าของแบตเตอรี่ซึ่งจํากัดการใช้งานของเครื่องแยกไม่เนื้อผ้าในระดับหนึ่ง แต่วิธีการเปลี่ยนระยะมีความหวังทางการค้า เนื่องจากความหลากหลายและสามารถควบคุมได้

ทีมงานจู บาโอกู จากมหาวิทยาลัยเจเจียงจาง (2016) ผลิตเครื่องแยก PMIA แบบสเปงผ่านวิธีการหมุนเวียนระยะ, ดังที่แสดงในภาพ. การกระจายขนาดโปร์มุ่งเน้น,90% ของขนาดขุมขนมีขนาดต่ํากว่าไมครอนและความแข็งแรงในการดึงสูงถึง 10.3Mpa

เครื่องแยก PMIA ที่ผลิตโดยวิธีการเปลี่ยนเฟสมีความมั่นคงทางความร้อนที่ดีมาก ไม่มีการสูญเสียมวลที่ชัดเจนเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้นถึง 400 °Cเครื่องแยกไม่หดตัวหลังจากได้รับการรักษาที่ 160 °C เป็นเวลา 1 ชั่วโมง.

อีกด้วยเนื่องจากกลุ่มการทํางานแบบขั้วแข็งแรง มุมสัมผัสของเครื่องแยก PMIA น้อยเพียง 11.3 องศา และโครงสร้างคล้ายสปองจ์ทําให้มันสามารถดูดซึมของเหลวได้อย่างรวดเร็วซึ่งช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการชื้นของเครื่องแยก, ลดเวลาการเปิดตัวของแบตเตอรี่ และทําให้ระยะยาวคงที่

นอกจากนี้ เนื่องจากโครงสร้างขั้วขั้วที่เชื่อมต่อกันภายในโครงสร้างคล้ายกับสปองของเครื่องแยก PMIA ไอนลิเดียมสามารถถ่ายทอดได้อย่างราบรื่นภายในมันดังนั้นการนํายอนของตัวแยกที่ผลิตโดยวิธีการเปลี่ยนระยะสูงถึง 10.51mS ̇ cm-1.

4

โพลีพาราเฟนิลีนเบนโซเดียโซล

วัสดุพอลิเมอร์ใหม่ PBO (polyphenylenebenzodiazole) เป็นเส้นใยอินทรีย์ที่มีคุณสมบัติทางกลที่ดีเยี่ยม ความมั่นคงทางความร้อนและความทนไฟแมตริกซ์ของมันเป็นพอลิมเลอร์ที่มีโครงสร้างโซ่เส้นตรงที่ไม่ละลายต่ํากว่า 650 °Cมันมีความแข็งแรงและความเข้มข้นสูงมาก และเป็นวัสดุใยที่ทนความร้อนและทนกระแทกที่ดีที่สุด

เนื่องจากพื้นผิวของใย PBO เป็นเรียบมาก และเป็นอินอเรตทางกายภาพและทางเคมี ดังนั้นการเปลี่ยนแปลงรูปร่างใยมันยากเมธีลซัลโฟนิกแอซิด, อะซิดฟลอโรซัลโฟนิก ฯลฯ หลังการกะทะด้วยกรดที่แข็งแรง เส้นใยบนเส้นใย PBO จะหักออกจากกระดูกหลัก สร้างรูปร่างเส้นใยแยกซึ่งช่วยปรับปรุงอัตราส่วน พื้นที่พื้นผิวและความแข็งแรงของพันธะระหว่างผิว.

(a) ไฟบริล PBO; (b) โครงสร้างเยื่อเนโนไฟเบอร์ PBO

Hao Xiaoming et al. (2016) ใช้กรดผสมของกรด methanesulfonic และกรด trifluoroacetic เพื่อละลายเส้นใย PBO เพื่อสร้างเส้นใยนาโนแล้วเตรียม PBO nanoporous separator ผ่านวิธีการหมุนเวียนระยะ.

ความแข็งแรงสูงสุดของตัวแยกสามารถถึง 525Mpa โมดูลัสของยองคือ 20GPa ความมั่นคงทางความร้อนสามารถถึง 600 °C มุมสัมผัสของตัวแยกคือ 20 °ที่เล็กกว่ามุมสัมผัส 45° ของเครื่องแยก Celgard2400, และความสามารถในการนํายอนคือ 2.3 × 10-4S · cm-1, ซึ่งมีผลงานที่ดีกว่าเครื่องแยก Celgard2400 ทางการค้าภายใต้สภาพจักร 0.1C.

เนื่องจากกระบวนการการผลิตของเส้นใย PBO ที่ยากลําบาก มีเพียงบริษัทเล็กน้อยเท่านั้นทั่วโลกที่ผลิตเส้นใย PBO คุณภาพสูง และทั้งหมดใช้โมโนเมอร์พอลิมเมอรี่สายใย PBO ที่ผลิตต้องการการรักษาด้วยกรดที่แข็งแรงและยากที่จะนําไปใช้ในสาขาของเครื่องแยกแบตเตอรี่ลิเดียม.

ทีมงาน YoungMooLee ของมหาวิทยาลัยฮานยาง (2016) ใช้อนุภาคนาโน HPI (ไฮดรอ็กซิโพลีไมด์) เพื่อเตรียมตัวแยกสารประกอบนาโนไฟเบอร์ TR-PBO ผ่านการจัดเรียงใหม่ทางความร้อนนอกจากความแข็งแรงสูงและความทนความร้อนสูงของวัสดุ PBO ตัวเอง, เครื่องแยก นอกจากข้อดีแล้ว การกระจายขนาดขุมขุมขุมขุมขุมขุมขุมขุมขุมขุมขุมขุมขุมขุมขุมขุมขุมขุมขุมขุมขุมขุมขุมขุมขุมขุมขุมขุม ขนาดขุมขุมขุมขุมขุมขุมขุมขุมขุมขุมขุมขุมขุมขุมขุมขุมขุมขุมขุมขุมขุมขุมขุมขุมขุมขุมขุมขุมขุมขุมขุมขุมขุมขุมขุมขุม ขุมขุมขุมขุมขุมขุมขุมขุมขุมขุมขุมขุมขุมขุมขุมขุมขุมขุมขุมขุมขุมขุมขุมขุมขุมขุมขุมขุมขุมขุมขุมขุมขุมขุมขุมขุมขุมขุมขุมขุมขุมขุมขุมขุมขุมขุมขุมขุมขุมขุมขุมขุมขุมขุมขุมข