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【工艺分析】锂电池隔膜生产工艺详解

发布于:2020-12-05 被浏览:3255次

其中,隔膜是一种具有微孔结构的薄膜,是锂离子电池产业链中技术壁垒最多的关键内层组件。它在锂电池中主要起以下两个作用:a、将锂电池的正负极分开,防止正负极接触形成短路;b、膜上的微孔可以让锂离子通过,形成充放电回路。

锂电池的成本构成

锂离子电池是现代高性能电池的代表,由正极材料、负极材料、隔膜、电解液四个主要部分组成。

高性能锂电池要求隔膜具有厚度均匀性和优异的机械性能(包括抗拉强度和抗穿刺性)、透气性和物理化学性能(包括润湿性、化学稳定性、热稳定性和安全性)。据了解,隔膜的好坏直接影响锂电池的容量、循环能力和安全性能,性能优异的隔膜对提高电池的综合性能起着重要作用。锂电池隔膜具有诸多特点,其性能指标难以兼顾,这决定了其技术壁垒高,研发难度大。隔膜生产工艺包括原料配方及快速配方调整、微孔制备技术、成套设备自主设计等诸多工艺。其中,微孔制备技术是锂电池隔膜制备技术的核心。根据微孔形成机理的不同,分离器技术可分为干法和湿法。

锂电池隔膜生产工艺复杂、技术壁垒高

干隔膜法是隔膜制备过程中最常用的方法,它是将高分子聚合物、添加剂和其他原料混合形成均匀的熔体,在挤出过程中的拉伸应力下形成层状结构,对层状结构进行热处理,得到坚硬弹性的聚合物薄膜,然后在一定温度下拉伸,形成狭缝状微孔,热定形,得到微孔薄膜。目前干法工艺主要包括干法单轴拉伸和双轴拉伸两种工艺。干法隔膜按照拉伸取向分为单拉和双拉干单拉伸是利用聚乙烯(PE)或聚丙烯(PP)聚合物流动性好、分子量低,并利用硬弹性纤维的制造原理。首先制备高取向、低结晶度的聚烯烃流延物,然后通过低温拉伸形成银条纹等微缺陷,再通过高温退火打开缺陷,得到孔径均匀、单轴取向的微孔薄膜。干式单拉的工艺流程如下:1)投料:将PE或PP等原料及添加剂按配方进行预处理后,输送至挤出系统。2)流延:将预处理后的原料在挤出系统中熔融塑化,然后从模具中挤出熔体,将熔体流延形成具有特定结晶结构的基膜。3)热处理:对基膜进行热处理,得到硬质弹性膜。4)拉伸:将硬质弹性薄膜进行冷拉伸和热拉伸,形成纳米微孔薄膜。5)切割:根据客户的规格将纳米微孔膜切割成成品。

众所周知,干法单拉的干式双拉伸工艺是中国科学院化学研究所开发的具有自主知识产权的工艺,也是中国独特的隔膜制造工艺。由于PP的晶型为六方晶系,单晶成核,晶片排列松散,具有沿径向生长成发散束但不具有完整球晶结构的层状结构,在热和应力的作用下会转变为更加致密稳定的晶,吸收大量冲击能量后会在材料中产生孔洞。在此过程中,向PP中加入具有成核作用的晶改性剂,利用PP不同相之间的密度差异,在拉伸过程中发生晶型转变形成微孔。干法双拉1)加料:将PP、造孔剂等原料按配方进行预处理后,输送至挤出系统。2)流延:晶含量高,晶形态好的PP流延片u

湿法是利用热致相分离原理,将增塑剂(沸点高的烃类液体或一些分子量相对较低的物质)与聚烯烃树脂混合,利用熔融混合物冷却过程中的固液相或液液相分离现象,将膜压紧,加热至接近熔点,拉伸使分子链取向一致,并保持一定时间的温度, 然后用挥发性溶剂(如二氯甲烷和三氯乙烯)从膜中提取增塑剂,再制备互穿亚微米微孔膜。湿法适用于生产单层PE薄膜,是一种厚度均匀性、理化性能和力学性能较好的制备工艺。 湿法也可以根据拉伸时取向是否相同分为湿法双向异步拉伸工艺和双向同步拉伸工艺两种。干法双拉工艺流程为:1)进料:聚乙烯、造孔剂等原料按配方进行预处理后,输送至挤出系统。2)流延:将预处理后的原料在双螺杆挤出系统中熔融塑化后,从模具中挤出熔体,将熔体流延形成含有成孔剂的流延厚片。3)纵向拉伸:纵向拉伸浇注的厚板。4)横向拉伸:将纵向拉伸后的流延厚片进行横向拉伸,得到含有成孔剂的基膜。5)萃取:用溶剂萃取基膜,形成不含致孔剂的基膜。6)成型:将不含成孔剂的基膜干燥成型,得到纳米微孔膜。7)切割:根据客户的规格将纳米微孔膜切割成成品。

湿式异步拉伸工艺湿式同步拉伸工艺的工艺流程与异步拉伸工艺基本相同,只是在拉伸过程中可以同时在横向和纵向两个方向进行取向,消除了单独纵向拉伸的工艺,增强了膜片厚度的均匀性。但是同步拉伸的问题首先是速度慢,其次是可调性差。只有横向拉伸比是可调的,而纵向拉伸比是固定的。

湿法同步拉伸工艺

湿法隔膜按照拉伸取向是否同时分为异步和同步

湿法异步拉伸工艺流程为:膜片产品的性能受基体材料和制造工艺的影响。隔膜的稳定性、一致性和安全性对锂电池的放电速率、能量密度、循环寿命和安全性有决定性的影响。与干式分离器相比,湿式分离器具有更好的材料性能,如厚度均匀性、机械性能(拉伸强度、耐穿刺性)、透气性、物理化学性能(润湿性、化学稳定性、安全性)等。有利于电解液的吸收和保留,提高电池的充放电和循环能力,适用于高容量电池。从产品力来看,湿隔膜的综合性能强于干隔膜。

标签: 隔膜 湿法 微孔
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