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工程管理前沿【2020年第20期】

  • ID:273376
  • 浏览:5224
  • 学科:工程地质学
  • 更新时间:2020-10-15 16:48:05
  • 期刊: 工程管理前沿
内容简介
《工程管理前沿》杂志是由中国工程院主管,中国工程院、清华大学、高等教育出版社主办的建筑期刊。国际标准刊号:2095-7513,国内统一刊号:CN10-1205/N。《工程管理前沿》的办刊宗旨:依托建设领域高层权威信息背景,旨在做好政府领导决策的重要参谋;成为政策理论探讨的前沿阵地,积极探索和引导建设事业发展方向和改革实践;提供重大事件权威报道,深度阐释焦点话题,纵深调查热点事件,努力追求权威性、建设性、实用性和可读性风格;努力做大媒介传播平台,真诚为建设企事业单位服务,为中国建设事业和城市化发展服务,为广大读者开启一个探求知识的窗口。

国内外锂离子电池隔膜的研究进展

2020-10-16 09:07:52 工程地质学 黄兴华
资料简介

摘要:经济的发展,社会的进步推动了各个行业的发展,自20世纪90年代锂离子电池面世至今,因其能量密度高、供电电压高及使用寿命长等优点,广泛应用于3C数码、储能电站、新能源交通及便携式电动工具等多个领域,极大地推动了社会的发展。隔膜是锂离子电池的重要组成部分,它位于电池内部正负极之间,保证锂离子通过的同时,阻碍电子传输。隔膜的性能决定了电池的界面结构、内阻等,直接影响电池的容量、循环以及安全性能等特性,性能优异的隔膜对提高电池的综合性能具有重要的作用。隔膜的热收缩率是指隔膜加热前后的尺寸变化率,是评价隔膜热性能的重要指标,锂离子电池要求隔膜的受热收缩率小,否则会引起短路,引发电池热失控,因此准确检测隔膜受热收缩率,对隔膜高温性能评价至关重要。基于此,本文主要对国内外锂离子电池隔膜的研究进行分析。


国内外锂离子电池隔膜的研究进展

黄兴华

天津力神电池股份有限公司 天津 300384

摘要:经济的发展,社会的进步推动了各个行业的发展,自20世纪90年代锂离子电池面世至今,因其能量密度高、供电电压高及使用寿命长等优点,广泛应用于3C数码、储能电站、新能源交通及便携式电动工具等多个领域,极大地推动了社会的发展。隔膜是锂离子电池的重要组成部分,它位于电池内部正负极之间,保证锂离子通过的同时,阻碍电子传输。隔膜的性能决定了电池的界面结构、内阻等,直接影响电池的容量、循环以及安全性能等特性,性能优异的隔膜对提高电池的综合性能具有重要的作用。隔膜的热收缩率是指隔膜加热前后的尺寸变化率,是评价隔膜热性能的重要指标,锂离子电池要求隔膜的受热收缩率小,否则会引起短路,引发电池热失控,因此准确检测隔膜受热收缩率,对隔膜高温性能评价至关重要。基于此,本文主要对国内外锂离子电池隔膜的研究进行分析。

关键词:国内外;锂离子;电池隔膜;研究进展

引言

近年来,锂离子电池能量密度不断提升,以满足其使用续航时间延长的需求,但因此也引发了不少锂离子电池自燃或者爆炸起火等安全性问题.隔膜是锂离子电池的重要组成之一,研究表明,其良好化学稳定性和机械强度能确保锂离子电池使用过程中的完整性,避免正负极接触而出现电池短路,甚至自燃.由此可见,隔膜对于锂离子电池安全性具有十分重要的影响.

1我国锂离子电池产业发展概况

首先是产业规模。中国汽车工业协会数据显示,2019年我国新能源汽车产量为124.4万辆,同比下降2.3%,连续多年增长局面被打破。受此影响,2019年我国锂离子电池产量增速显著下降。国家统计局数据显示,2019年我国锂离子电池累计产量为157.2亿只,同比增长12.4%,增速较2018年明显回落,延续了2016年以来增速持续下降态势。按容量计算,2019年我国锂离子电池产量148.0GWh,同比增长19.2%。其中,动力电池产量为85.4GWh,同比增长21%;消费型电池产量56.2GWh,同比增长15.4%。2019年我国锂离子电池产业规模1较上年小幅增长至1750亿元,增速仅为1%,增速继续呈现回落态势,产业规模增速较产量增速低了近11个百分点。其次是产业结构。从2015年开始,随着动力型锂离子电池产量迅猛增长,我国锂离子电池产品结构发生了显著变化,动力型锂离子电池已经成为锂离子电池行业的主导力量。但2019年由于新能源汽车产量出现小幅下降,动力型消费型锂离子电池和储能型锂离子电池出货量保持了快速增长,锂离子电池应用领域结构再次发生改变。从各应用领域锂离子电池出货量看,2019年我国锂离子电池总出货量达到了131.6GWh,同比增长15.4%。其中,主要应用于新能源汽车、电动自行车、电动工具3大市场的动力型电池出货量达到76.7GWh,我国锂离子电池总出货量的占比为58.3%,较2018年下降了2.7个百分点;消费型电池出货量46.3GWh,同比增长超过20%,占比为35.2%,较2018年提升了2.4个百分点;储能型电池出货量8.6GWh,较上年增长23%,占比提升至6.5%,逐年上一个台阶。2019年动力型锂离子电池对全行业增长的贡献率仅为41%,还不到2018年其对全行业增长的贡献率的一半。

2分子设计抑制锂硫电池的“多硫化物穿梭效应”

分子设计抑制锂硫电池的“多硫化物穿梭效应”主要指的是硫物种在充放电过程中会发生巨大的体积变化,硫电极会不断地进行微观界面更新,除了设计正极硫载体材料外,利用隔膜这种在微观上远离电化学反应界面、结构相对稳定的材料来控制多硫化物的流失、进而对硫电极的微观界面行为进行调节,成为一种可行而高效的控制多硫化物穿梭的有效手段。目前所用的锂硫电池隔膜多为聚丙烯或聚丙烯-聚乙烯的多孔结构惰性膜。该类隔膜已经在锂离子电池中应用、发展多年,性能稳定可靠。但此类多孔隔膜本身没有功能性,直接用于锂硫电池无法阻止多硫化物的穿梭。近年来,许多工作通过在隔膜上引入夹层或灌注层,并取得了较好的效果。从夹层或灌注层的种类来看,可将其分为碳材料、金属氧化物和聚合物材料等。利用碳材料的导电性、金属氧化物与多硫化物之间的化学作用力、聚合物材料的带电基团等来抑制穿梭效应,显著改善了电池的性能。采用碳材料对隔膜进行改性,能够有效阻止多硫化物的扩散,提高活性物质利用率。纯碳材料主要包括石墨烯、SuperP、碳纳米管、碳布等。薄的高导电碳层隔膜,用于阻止非活性硫物质在正极的积累,从而实现含硫组分的回收与利用。

3熔喷纺丝工艺

熔喷工艺是近年来发展较快的一种以聚合物熔体为原料迅速制备出细小纤维或纤维网产品的非织造技术。该工艺的主要过程是将熔融的聚合物从喷丝头挤出后,在高速热空气下被拉伸成细短纤维,然后牵伸细化的纤维使其聚集在成滚筒上,并通过热粘合或自身粘合固结成网、。熔喷纺丝工艺形成的超细纤维非织造材料具有孔隙率好、比表面积大、安全性好、成本较低等优点。经过热处理后PP熔喷非织造材料的性能变化,并制备出PVDF-HFP/SiO2熔喷复合隔膜。结果表明,在一定牵伸条件下,PP熔喷非织造材料的纵向断裂伸长率一直下降,而纵向强力提高了很多,在130℃时增强了45.2%;制备出的PVDF-HFP/SiO2熔喷复合隔膜与商业化PE隔膜相比,表现出更优良的孔隙率、热稳定性,该熔喷复合隔膜组装的锂离子电池具有良好的循环稳定性能和较高的容量保持率。随着熔喷技术的不断进步,聚丙烯/聚酰胺、聚丙烯/聚乙烯、聚丙烯/聚苯乙烯等共混原料也可用于非织造布的熔喷法制造。由于熔喷非织造布的耐热性不好,通过熔喷法制备出的电池隔膜就不宜在温度过高的条件下使用,利用熔喷工艺制造锂离子电池隔膜的公司主要有日本王子制纸株式会社、日本东洋纺株式会社等。

结语

总之,隔膜是锂离子电池中的关键组分,锂离子电池的进步是建立在锂离子电池隔膜发展的基础上的。近年来,随着经济水平的不断提高和国家政策的支持,我国锂离子电池隔膜行业进步飞快,正处在高速发展的阶段,国产隔膜开始替代进口隔膜成为中低端锂离子电池市场的占据者,但我国在锂离子电池隔膜领域发展相对较晚,国产隔膜整体技术水平相比较国外先进的技术水平,仍然处于落后地位。传统的聚烯烃隔膜在新能源领域无法满足锂离子电池隔膜的需求,因此,发展创新隔膜技术将是一个巨大的机遇与挑战。在隔膜开发领域,具有高孔隙率、高熔点、无污染性、优异的热稳定性和机械性能的隔膜是锂离子电池隔膜未来的发展方向。随着各类隔膜制备技术的不断发展,同时兼具这些优异性能的锂离子电池隔膜将会在未来出现。

参考文献

[1]倪文昊,丁冬.我国锂离子电池发展现状及前景探讨[J].中国石油和化工标准与质量,2012,32(01):26.

[2]耿洪波.锂离子电池负极材料Fe3O4的制备及其改性研究[D].苏州:苏州大学,2014.

[3]徐千惠,陈泰伊,郑怡筱,等.锂离子电池用纳米纤维隔膜的开发和研究[J].轻纺工业与技术,2019,48(06):912.

[4]陈仕林.勃姆石/聚丙烯腈复合纳米纤维隔膜的制备及其性能研究[D].广州:华南理工大学,2019.

[5]李岩,张晓崴.国内锂离子电池隔膜发展简析及建议[J].化学工业,2017,35(02):1720.