鋰離子電池隔膜簡(jiǎn)介
電池按照工作性質(zhì)可以分為一次電池和二次電池。一次電池是指不可以循環(huán)使用的電池。二次電池是指可以反復(fù)充電、循環(huán)使用的電池,如先后商業(yè)化使用的鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池以及鋰離子電池。鋰離子電池具有平均輸出電壓高,比能量大,無(wú)記憶效應(yīng),使用壽命長(zhǎng),安全性能好、不含有毒物質(zhì)等特點(diǎn)。因此,也被稱為“綠色電池”。
鋰離子電池制造所需的正極材料、負(fù)極材料、隔膜和電解質(zhì)材料被稱為鋰離子電池四大關(guān)鍵材料。
其中,隔膜的主要作用是使電池的正、負(fù)極分隔開(kāi)來(lái),防止兩極接觸而短路,同時(shí)具有能使電解質(zhì)離子通過(guò)的功能。其性能決定了電池的界面結(jié)構(gòu)、內(nèi)阻等,直接影響電池的容量、循環(huán)以及安全性能等特性,性能優(yōu)異的隔膜對(duì)提高電池綜合性能具有重要作用。
鋰電池隔膜是四大材料中技術(shù)壁壘最高的部分,其成本占比僅次于正極材料,約為10%-14%,在一些高端電池中,隔膜成本占比甚至達(dá)到20%。隔膜產(chǎn)品主要有單層PP、單層PE、PP+陶瓷涂覆、PE+陶瓷涂覆、雙層PP/PE、雙層PP/PP和三層PP/PE/PP等,其中前兩類產(chǎn)品主要用于3C消費(fèi)電池,后幾類產(chǎn)品主要用于動(dòng)力鋰電池。我國(guó)企業(yè)主要生產(chǎn)雙層PP/PP隔膜,而全球汽車動(dòng)力鋰電池使用的隔膜以三層PP/PE/PP、雙層PP/PE以及PP+陶瓷涂覆、PE+陶瓷涂覆等隔膜材料產(chǎn)品為主。這主要是因?yàn)槲覈?guó)目前的還不具備將PP與PE制成雙層復(fù)合膜的技術(shù)和能力。
隔膜的技術(shù)工藝,分為干法和濕法,干法工藝的原理是物理拉伸,結(jié)晶和淬取。相對(duì)于干法工藝,濕法工藝的原理是相位分離,制備的隔膜微孔分布均勻性好,孔徑大小合適,閉孔溫度低,雙向拉伸強(qiáng)度高,刺穿強(qiáng)度高,可以制備較薄的隔膜。濕法工序較干法更為復(fù)雜,資金投入更大,生產(chǎn)周期也更長(zhǎng),技術(shù)壁壘較高,其生產(chǎn)設(shè)備的復(fù)雜程度也遠(yuǎn)高于干法工藝。
現(xiàn)有技術(shù)分析:
鋰電隔膜的技術(shù)的難點(diǎn)在于基體材料制備以及造孔的工程技術(shù)。除了基材、添加劑、制膜工藝的影響之外,生產(chǎn)設(shè)備對(duì)于造孔的穩(wěn)定性也有很大的影響,加熱輥及冷卻輥的表面溫度均勻性以及機(jī)械精度都是其中重要的影響因素。傳統(tǒng)的導(dǎo)熱油加熱輥造價(jià)低,但使用一段時(shí)間后,往往因?yàn)閷?dǎo)熱油結(jié)碳等原因?qū)е螺伱鏈夭罴眲〖哟蟆囟鹊牟痪鶆驎?huì)加大孔徑分布,從而影響隔膜的一致性。表現(xiàn)為孔隙率一致性、孔徑大小及分布、力學(xué)強(qiáng)度等方面。
同樣,膜片冷卻過(guò)程的換熱,采取冷卻輥?zhàn)鳛閾Q熱工具,冷卻輥的溫度均勻性同樣至關(guān)重要。溫度的均勻性同樣會(huì)影響到產(chǎn)品最終性能。同時(shí),在環(huán)境露點(diǎn)相對(duì)低的時(shí)期,生產(chǎn)過(guò)程中,冷卻輥兩端面會(huì)結(jié)露,會(huì)給生產(chǎn)帶來(lái)諸多麻煩。
解決方案
聯(lián)凈電磁感應(yīng)加熱輥采用特殊的均溫結(jié)構(gòu),可以將輥筒表面溫度始終維持在±1℃以內(nèi),從而確??紫堵室恢滦?、孔徑大小及分布、力學(xué)強(qiáng)度一致性良好,提高產(chǎn)品的總體性能。對(duì)機(jī)械方面的考慮到一般薄膜的厚度為0.015mm,建議將跳動(dòng)指標(biāo)做高到0.005mm,減少機(jī)械能影響薄膜的一致性。
同時(shí),電磁加熱輥采用單個(gè)獨(dú)立閉環(huán)回路控溫,可以讓用戶實(shí)現(xiàn)更多的工藝可能。對(duì)于隔膜拉伸,以16~20支輥組為一個(gè)牽伸單元為例。為提高輥筒的通用性,從功率設(shè)計(jì)等方面全部一致,但在工作時(shí),其表面溫度設(shè)定建議根據(jù)工藝的需要逐步提高,而不是每支輥的溫度設(shè)定一樣。這樣,可以確保拉伸更加均勻。
為確保薄膜受熱均勻,避免前面幾支輥筒的熱負(fù)荷特別高、后幾支輥筒熱負(fù)荷特別低的情況,輥組的溫度設(shè)定應(yīng)從低到高逐步升高,讓各輥筒的負(fù)荷盡可能均衡。其中前面約14支左右的輥筒主要起升溫作用,而后面6支輥筒溫度設(shè)定到最高,主要起保溫和適量補(bǔ)充熱量的作用。薄膜總的溫升ΔT就等于各輥筒ΔTi之和。
ΔT=ΔT1+…ΔTi +…+ΔTn。
通常,對(duì)用于加熱的各輥筒溫度升高的幅度(ΔTi)設(shè)置值都比較接近,這樣,其實(shí)際負(fù)荷也就接近了。輥筒的溫度設(shè)定和薄膜的實(shí)際溫度如下圖所示。
注:上述溫度梯度的建議僅供參考,具體須由工藝條件決定。
膜片的冷卻,采用無(wú)結(jié)露冷輥對(duì)現(xiàn)有冷卻輥進(jìn)行替換。聯(lián)凈無(wú)結(jié)露冷卻輥采用獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和先進(jìn)的熱交換技術(shù),使得工作區(qū)域的熱量能夠迅速傳遞到兩端,不但可以使得輥面溫度均勻一致,而且可以杜絕輥體兩端的結(jié)露問(wèn)題,大幅提高產(chǎn)品品質(zhì)。和傳統(tǒng)的冷卻輥相比,上海聯(lián)凈新型冷卻輥由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜,有較高的技術(shù)含量,其造價(jià)也必然相應(yīng)上升,但是,新型冷卻輥帶來(lái)的生產(chǎn)效率提高、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定是無(wú)法用兩種輥價(jià)格之差來(lái)衡量的。目前,全世界只有為數(shù)不多的企業(yè)掌握了這項(xiàng)均溫冷卻技術(shù),和國(guó)外同行相比,上海聯(lián)凈的產(chǎn)品價(jià)格更低,但都能達(dá)到同樣的效果。
產(chǎn)品相關(guān)參數(shù)概要:
掃描關(guān)注
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