新型锂离子电池隔膜材料

静电纺丝技术制备超细纤维无纺布具有尺寸小,孔隙率高、孔径分布均匀等优点,将其制成锂电池隔膜,可以大大提高电池的倍率性能。现阶段采用静电纺丝制备隔膜材料大多是单一的高分子材料,很难兼顾到隔膜或电解质的各项综合性能。同轴静电纺丝由于在径向上复合了不同的材料,因而赋予同轴纳米纤维优异的的综合性能。对于电池隔膜而言,芯层可以采用高性能高分子材料以提供高的热稳定性和机械性能;皮层可以采用含氟高分子等离子传导材料以提供优异的电化学稳定性和离子传输性能,这种同轴复合纤维有望用于制备高性能的电池隔膜。

中科院青岛生物能源与过程研究所的崔光磊研究员长期以来主要从事储能电池隔膜和电解质材料的研究。近期,他的团队采用高性能高分子材料,如聚酰亚胺(PI)等,作为芯层材料,并采用偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物(PVDF-HFP)等作为皮层材料,并通过纺丝参数的调控和优化,得到孔径均匀分布的PI@PVDF-HFP同轴纳米纤维无纺隔膜

从2010年8月开始到2012年5月基本结束,该研究工作共计花费了近两年的时间。崔研究员表示,实验初期是静电纺丝制备聚酰亚胺的纳米纤维膜,主要用于耐高温型的锂离子电池隔膜,后期发现单独的聚酰亚胺的纳米纤维膜耐温性能和电池性能很好,但是其他性能如机械性能等却不理想。特别是纳米纤维,由于纤维纤细且脆弱,纳米纤维膜表面的纳米纤维极易起毛、剥离或脱落。 最后他们采用表面粘合的办法把纳米纤维粘结在一起,以提高纳米纤维膜的力学性能。通过在聚酰亚胺表面加入第二组分偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物(PVDF-HFP)作为皮层材料,能够在亚胺化处理的时候发生熔融,从而实现纳米纤维粘合的目的。另一个方面,偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物(PVDF-HFP)组分的引入还有利于提高纳米纤维隔膜的电化学稳定窗口和锂离子电导率。

崔研究员在接受访谈时说:“在这项研究进程中,我们遇到了最大的困难是偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物(PVDF-HFP)皮层与聚酰亚胺芯层的比例问题。皮层比例高,会造成粘合层过厚,熔融后会堵塞隔膜的孔道,或熔融流淌造成膜上下表面不均匀;皮层比例过低,会造成粘合不牢固;所以实验过程中花了很长时间来优化皮层和芯层比例,主要是通过内外流体的流速来调控。”

“作者刘志宏,孔庆山,江文和王学江主要参与同轴静电纺丝纳米纤维膜的制备以及隔膜的各种物理,化学和电化学性能的测试表征工作;作者张传健,姚建华和韩鹏献主要参与电池隔膜的电池性能,如充放电性能,倍率性能以及长循环性能等的研究工作。 本人则提供想法和思路,对这项研究进行总体规划和指导。” 崔光磊研究员

崔研究员还阐述道,对于这项研究,尚未解决一项技术问题,即规模化放大的问题。如何高效率低成本的且大批量的进行同轴静电纺丝的问题将成为一项非常有挑战性的难题,不过他们已经开展了这方面的尝试。

开发出高性能的锂离子电池隔膜材料,使其能够适用于动力电池中并提高电池的安全性能是该领域研究人员的终极目标。目前,市场上大规模使用的锂离子电池隔膜是聚烯烃类隔膜,然而, 聚烯烃隔膜的低孔隙率和横向拉伸强度,保液性以及热稳定性较差, 无法完全满足大容量电池快速充放电的要求, 而且还有很大的安全隐患。 动力锂离子电池的发展需要具有机械强度更高、更好的热尺寸稳定性和热化学稳定性隔膜和聚合电解质材料。希望崔老师的科研工作能够为大容量锂离子电池提供高安全性的隔膜材料。

About Xu Guangchen

MaterialsViewsChina专栏作者,同时为WILEY出版集团旗下的材料科学类期刊提供作者服务。