湿法锂离子电池隔膜制备方法对锂离子电池性能的影响

关于锂离子电池的论文范文第四篇：湿法锂离子电池隔膜制备方法对锂离子电池性能的影响

　　摘要：聚乙烯（polyethylene,简称PE）是乙烯经聚合制得的一种热塑性树脂。在工业上，也包括乙烯与少量α-烯烃的共聚物。聚乙烯无臭，无毒，手感似蜡，具有优良的耐低温性能（最低使用温度可达-100~-70℃），化学稳定性好，能耐大多数酸碱的侵蚀（不耐具有氧化性质的酸）。常温下不溶于一般溶剂，吸水性小，电绝缘性优良，是制作锂离子电池隔膜最好的材料，经过与白油混合制浆后，经过铸片、拉伸、二萃取等工序，形成纯PE隔膜。

　　关键词：聚乙烯；湿法，锂离子电池；隔膜；萃取；

　　作者简介：刘天一（1994-），男，辽源人，学士学位，主要研究方向为新能源。；

　　Abstract:Polyethylene（polyethylene, PE）Ethylene is a thermoplastic resin made by polymerization. In industry, also included are copolymers of ethylene with small amounts of α-olefin. Polyethylene odorless, non-toxic, feel like wax, it has excellent low temperature resistance（The lowest operating temperature can reach-100~-70 ℃）， good chemical stability, Resistant to most acid and alkali attacks（Not resistant to oxidizing acids）。 Insoluble in common solvents at room temperature,small water imbibition, excellent electrical insulation, it is the best material to make lithium ion battery diaphragm.

　　Keyword:Polyethylene; wet; Lithium-ion battery; The diaphragm; extraction;

　　1 概述

　　目前锂电池用的国产隔膜在生产制造过程中，主要分为湿法和干法，干法单向拉伸容易出现隔膜拉伸不均匀、张力控制失效、导致成品隔膜微观结构不好，将影响隔膜拉伸强度和孔径，最终影响电池性能的情况。湿法工艺使用异步双向拉伸工艺，拉伸均匀。隔膜经过二氯甲烷萃取，得到的孔径均匀，微观结构良好。

　　锂离子电池内部结构复杂，众多的部件组成，其中内部核心部件之一就是隔膜[1].隔膜材料除了有电子绝缘性外，还具有离子透过性[2.市场化的锂离子电池隔膜主要有干法单向拉伸隔膜、湿法隔膜。这几种隔膜的主要区别在于微孔的形成机理不同[3].湿法又称相分离法或热致相分离法，将液态烃或一些小分子物质与聚烯烃树脂混合，加热熔融后，形成均匀的混合物，然后经过双辊降温进行铸片，双辊铸片隔膜两面同时冷却，隔膜双面的一致性较好，再将隔膜膜片加热至接近熔点温度，进行异步双向拉伸使分子链取向，最后保温一定时间，用易挥发物质洗脱残留的溶剂，可制备出相互贯通的微孔[4].再经过二次拉伸工艺，增加隔膜强度性能。由此可见湿法锂离子电池隔膜决定了电池的界面结构、物性指标、离子电导率等，从而直接影响电池的容量、循环性能以及安全性能等特性[5].

　　本文主要说明湿法锂离子电池隔膜的制备方法，以解决上述背景技术中提出影响锂离子电池性能的方法。

　　2 湿法隔膜制备方法

　　2.1 湿法配方

　　原料：聚乙烯（PE）、白油、二氯甲烷。

　　2.2 湿法隔膜的制备工艺流程

　　（1）投料，将PE塑料和油相添加剂投入到混合挤压机中；

　　（2）挤出，启动混合挤压机，对投入的原料进行挤压混合；

　　（3）铸片，将混合后的原料通过挤压机从T型模具中挤压成片状结构；

　　（4）纵拉伸，将片状的挤压材料通过辊压机进行纵向的滚压，将其长度进行拉伸；

　　（5）第一次横拉伸，将由步骤4拉伸过的材料穿入横拉伸设备中，进行横向拉伸；

　　（6）萃取，将经过步骤5处理后的膜片放置到萃取箱内进行萃取；

　　（7）第二次横拉伸，将经过步骤6的萃取后的膜片送入横拉伸设备中，进行第二次横拉伸；

　　（8）收卷，将经过步骤7处理后的膜片收卷；

　　（9）第一次分切；

　　（10）第二次分切，获得用于电池叠片的隔膜；

　　2.3 湿法工艺流程图

　　图1 湿法异步拉伸工艺图

　　Fig.1 Wet asynchronous drawing process diagram

　　2.4 湿法隔膜设备

　　表1 湿法隔膜设备线

　　Tab.1 Wet diaphragm equipment line    

　　3 湿法隔膜制备过程

　　3.1 湿法隔膜一次调试

　　按照拟定控制计划调整，拉伸强度双向高于指标150 Mpa,TD平均数能够达到175 Mpa左右，MD平均数能够达到155 Mpa左右。厚度偏薄中间在18.5~18.9μm之间两侧偏厚在21.2μm.研究后拟定工艺调整方向，将纵向拉伸倍率由6.5提升为6.75倍，提高MD拉伸强度，但厚度偏薄提升倍率后厚度会超出下限指标，需将铸片温度下降来保证厚度的提高，同时两侧厚度偏厚，通过减铸片厚度来进行调整，为保证铸片宽度不变，减少2 kg下料量来保持铸片宽度，调整一次拉伸温度来调节透气度。

　　3.2 湿法隔膜二次调试

　　首次实验存在产品指标拉伸强度MD方向偏低，MD方向强度需进行调整来提升，厚度整体一致性偏差，两侧偏厚中间偏薄问题。本次对控制计划内铸片、纵拉伸、下料量、一次横拉温度进行了修改，并再次进行了实验。

　　将纵向拉伸速比S3\4\5\6由132%提高到133%,这样就把纵向拉伸倍率由6.5倍提高到6.75倍，MD拉伸强度提高到了180Mpa以上。由于厚度中间偏薄18.5~18.9μm,两侧偏厚21.2μm,纵拉伸倍率提升后厚度整体下降，通过降低铸片温度由24℃降到22℃，在减铸片整体厚度由1670/1700/1670μm减到1640/1670/1640μm,厚度可以达到整体20.0μm左右。为保证铸片速度与宽度不变，减少2 kg下料量进行控制。一次拉伸温度124℃降低到123℃，透气度整体在145~165 sec/100 cc之间。

　　经过本次使用更改过的产品控制计划调整后，目前产品指标符合标准，表观状态良好（无猫眼、水印、碳化物、亮斑、麻点印等）平整度良好（无掉边、无波浪纹）产品数据稳定。

　　4 结果与分析

　　4.1 隔膜的扫描电镜图

　　图2 湿法SEM和干法SEM

　　Fig.2 Wet SEM and Dry SEM

　　图2（Ⅰ）为湿法隔膜在20000倍电子显微镜下表面微观结构，从电镜图中可以看出，经过双向异步拉伸萃取工艺的隔膜孔径均匀，筋条小，孔占比量大，整体的微观结构较好。图2（Ⅱ）为干法隔膜在20000倍电子显微镜下表面微观结构，干法隔膜无萃取环节，孔径为经过拉伸形成的，隔膜孔径不均匀，筋条大，孔占比量小，整体的微观结构较差。

　　4.2 隔膜性能分析

　　表2 湿法隔膜和干法隔膜物性对比

　　Tab.2 Comparison of physical properties between normal diaphragm and dry diaphragm  

　　从表2可知，经过物性指标对标，同款20μm产品，湿法隔膜穿刺强度高，拉伸强度MD/TD均匀，湿法隔膜对比干法隔膜强度性能有着非常明显的提高，同时降低了电池因挤压、针刺导致短路情况发生的几率，使得电芯的安全性能得到明显的提高。

　　5 结论

　　当前，聚乙烯隔膜仍然占据商品化隔膜的主导地位，湿法隔膜工艺更是复杂，且该种类隔膜对技术有着非常高的要求。

　　在工艺控制过程中采用熔融状态的聚烯烃树脂与熔融状态的成孔剂混合，使物料混合的更加均匀，成孔剂均匀分布于聚烯烃树脂上，从而使制备得到的电池隔膜微孔孔径分布较均匀，加之原材料的选用和配比，比如高分子量聚烯烃树脂和超高分子量聚烯烃树脂、结合添加剂进行配比。

　　挤出的混合物料经冷却辊和可调辊之间空隙挤压铸成厚片，混合物料可在冷却辊与可调辊之间先形成一个堆积，进而进行挤压，可使电池隔膜的均匀性提高。

　　为了更好的匹配动力电池的安全和性能要求，这就需要我们对隔膜的孔径分布、微观结构、物性指标等性能进行深入研究。

　　湿法隔膜强度及微观结构更适合运用于高端电池产品中。

　　参考文献

　　[1]余航，石玲，邓龙辉，等。锂离子电池隔膜材料的研究进展[J] .化工设计通讯， 2019,45（10）：167-169.

　　[2]刘全兵，国龙，张健，等。锂离子电池隔膜研究与应用进展[J] .电源技术， 2015,4:848-850.

　　[3]刘会会，柳邦威。锂离子电池隔膜生产技术与研究进展[J].电池， 2015,45（1）：133-134.

　　[4]黄友桥，管道安。锂离子电池隔膜材料的研究进展[J] .船电技术， 2011,31（1）：26-29.

　　[5]王艳，何文，张旭东，等。锂离子电池隔膜的研究综述[J] .山东陶瓷， 2014,37（3）：11-15.