金属离子电池中的隔膜
隔膜作为电池的关键部分,其主要作用是:隔离正负极,防止电池短路;传输离子,使电池在充放电过程中离子和电子形成回路。为了满足电池工作的要求,隔膜必须满足以下基本条件:
(1)与电解液有良好的浸润性,与离子有良好的渗透性;
(2)好的热稳定性,避免高温下热收缩导致正负极接触而造成短路;
(3)良好的电子绝缘性和电化学稳定性;
(4)良好的化学稳定性,不与电极或电解液发生反应;
(5)高的机械强度,以抑制电池制造过程中产生的张力和变形;
(6)一定的厚度、孔径和孔隙率,使其有利于电解质离子传输,并能平衡机械强度与内阻。
根据成分和结构不同,常用锂离子电池隔膜主要分为四类:微孔膜、改性微孔膜、无纺布隔膜和复合隔膜。微孔膜是孔径在微米范围内的隔膜,主要包括聚烯烃微孔膜及其他聚合物微孔膜。改性微孔膜是对微孔膜改性获得的隔膜,常用的改性方法有表面处理、化学接枝、表面涂覆等。无纺布隔膜具有小的纤维直径,通常表现出比其他类隔膜更高的孔隙率。复合隔膜是通过将无机材料涂覆或填充在微孔膜或无纺布隔膜中制备得到,相比其他种类隔膜具有更高的热稳定性和电解液润湿性。
目前,聚乙烯(PE)和聚丙烯(PP)微孔膜,因具有成本低廉、易于加工且能满足综合性应用等优点,在锂离子电池中已得到了大规模应用。但由于其具有高热收缩性以及低电解液亲和力,需要对其进行优化改性,以满足高性能及高安全性电池的需求。
电池隔膜的常用制备方法有干法、湿法、相转化法和静电纺丝法等,不同制备方法对隔膜的结构和性能具有较大影响。大多数商用隔膜采用干法或湿法工艺制备而成,通常可获得均匀的孔隙分布以及较高的机械强度,但其孔结构在高温下容易变形。相转化法获得的隔膜具有孔隙率高、尺寸稳定性以及热稳定性好等优点,但其机械强度较差,且孔隙分布不均匀。静电纺丝法制备的隔膜孔隙率高、孔径大,但机械强度不够高。为了获得具有特定功能的隔膜,通常还需对其进一步改性和设计。隔膜的选择和设计需要兼顾电池的不同性能指标。例如:厚度是隔膜的重要参数之一,它通常与离子扩散速率成反比,与隔膜的机械性能成正比,因此合适的隔膜厚度对优化电池性能至关重要;隔膜大的孔径利于离子迁移,但易使金属锂在负极沉积而引起枝晶问题,导致正负极局部接触发生短路;高孔隙率使隔膜具有好的储液能力,从而可提高离子电导率,并抑制电极局部极化、析锂等,但将降低隔膜的机械强度并导致其热收缩。因此,优化隔膜结构参数,得到兼具高离子电导率、均匀离子通量以及优异机械、热学性能的隔膜,对获得高性能及高安全性电池至关重要。
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