隔膜

華東理工大學研發新型超薄勃母石涂層隔膜，提升鋰離子電池安全性

第一電動大牛作者新能源Leader 2017-03-27 10:28

安全性一直是鋰離子電池關注的要點，隨著鋰離子電池能量密度的不斷提高，隔膜等非活性材料也在不斷的減薄，從而使得鋰離子電池安全性風險不斷升高，去年被炒的火熱的三星Note 7手機爆炸事件，據信就是由于追求高能量密度，從而導致隔膜減薄，使得電池安全性降低，電池在特定的情況下會發生爆炸起火。為了提高鋰離子電池的安全性，特別是在短路和針刺等特殊情況下的安全性，人們開發了新型的涂層隔膜，在發生短路或者內短路的情況下，電池內部發生過熱，經過涂層處理后的隔膜能夠有效的阻止高溫收縮，從而避免正負極直接接觸短路，引發更為嚴重的熱失控，避免電池發生起火和爆炸等嚴重的安全問題。

傳統的涂層隔膜一般是使用Al2O3或者MgO顆粒作為原料，涂層厚度一般為2-3um，最近來自華中科技大學的Chongwen Yang等人開發了一種勃母石(AlOOH)涂層隔膜，據Chongwen Yang表示，該隔膜能夠在保證熱穩定性不變的前提下，大幅降低涂層的厚度1.15um，這主要是因為PE達到140℃融化后，AlOOH與PE之間相互融合產生穩定的界面結構，從而防止PE隔膜繼續收縮，目前該研究成果已經發表在了最新一期的《Journal of PowerSource》雜志上。

實驗中Chongwen Yang將平均直徑為350nm的AlOOH顆粒(35%)，聚乙烯醇PVA(1%)，溶解在去離子水中，然后利用滾涂設備在16um的PE隔膜的正反面分別涂布一層上述漿料(1.15um)，然后在60℃下干燥24h，涂布層的厚度可以通過控制滾涂的速度來進行控制。Chongwen Yang分別測試了上述改造隔膜和未改造隔膜的收縮率和潤濕性，以及離子電導率，用來對比兩種隔膜的性能。

在對隔膜進行的其他性能測試中發現，結果如下表所示，從結果來看，改性隔膜的針刺強度和抗拉強度僅有輕微的下降，但是在透氣性方面卻相比原始PE隔膜有20%左右的下降，這將會對離子遷移產生一定的影響，但是好在這一劣勢被AlOOH改性隔膜良好的潤濕性所抵消，原始PE隔膜的潤濕角為42.5度，而AlOOH改性隔膜的潤濕角是0度，表明改性隔膜具有優異的電解液潤濕性。

離子電導率也是影響隔膜離子通過性的一個重要的指標，離子電導率測試是將隔膜制成扣式電池，然后采用交流阻抗方式進行測試，然后利用下式進行計算，其中d和S分別是隔膜的厚度和面積，Rb為等效電阻。測試結果顯示，AlOOH改性隔膜的離子電導率為6.56′10-3S/cm，而原始的PE隔膜的離子電導率僅為3.48′10-3S/cm

Chongwen Yang還利用上述隔膜制成了LTO半電池，用于測試改性隔膜的倍率性能和循環性能，測試結果如下圖所示。從倍率測試結果來看，在較高倍率下(1C和2C)，采用AlOOH改性處理的隔膜具有更好的性能。循環測試同樣表明AlOOH涂層處理能夠改善電池的循環性能，在1C倍率下循環100次后，AlOOH改性隔膜電池的容量保持率為96.3%，而原始PE隔膜電池的容量保持率為94.6%。

研究顯示，改性隔膜還能顯著的提升電池的過充性能，下圖是分別采用AlOOH改性隔膜和普通PE隔膜的LFP電池在3C倍率下過充到10V的實驗，圖a中，采用原始PE隔膜的電池在過充15min后，電池泄漏，并冒出大量白煙，電池表面溫度達到104.8℃，而采用AlOOH改性隔膜的電池在過充過程中沒有泄漏或者冒煙，電池表面溫度達到103.4℃。