中国粉体网讯 无纺布又称为非织布,是一种采用非织造方法,如湿法抄造、静电纺丝、熔喷法、纺黏法等制造工艺,使分散均匀的纤维进行定向或随机的排列,形成网状结构,再辅以机械、物理或化学等方法加固形成的新型纤维制品。
无纺布隔膜具有高孔隙率和高热稳定性的特点,可达到150℃以上耐热温度其次,无纺布的三维孔隙结构可保证较高的电解液保有率,并有效防止隔膜刺穿引起的短路问题,上述优点使得无纺布隔膜在大功率电池的应用方面极具潜力。
锂离子电池隔膜通用要求
目前,无纺布隔膜已广泛用于镍镉电池、镍氢电池、铅酸电池、碱性电池和超级电容器等领域,但其在锂离子电池中的应用仍十分有限。无纺布具有天然的大孔径和高孔隙率,为防止枝晶通过孔径生长,必须增加其厚度,因此难以同时满足锂离子电池隔膜在孔径和厚度两方面的要求。从而无法直接作为锂离子电池隔膜使用,只适于作为锂离子电池隔膜支撑材料。随着技术进步,纳米纤维无纺布的制备成为可能,采用纳米纤维技术生产的超薄无纺布为实现锂离子电池中无纺布隔膜提供了新思路。
湿法无纺布隔膜
湿法无纺布是利用造纸工艺的基本原理,纤维在水溶型悬浮液中均匀分散后,在专门的成形器上经脱水形成纤维网,再经物理、化学方法固网等一系列工艺加工而成的纸状纤维薄膜,湿法工艺原料来源广泛,成网速度快且均匀度好,加工成本低,适用于大批量产品的规模化生产。
静电纺丝无纺布隔膜
静电纺丝无纺布采用纳米或微米级纤维,孔隙率高、厚度小、比表面积大,但其机械强度低,因此难以承受电池组装过程中的大张力。静电纺丝法适用的材料种类众多,理论上所有可制成溶液或熔体的高分子聚合物均可通过静电纺丝工艺加工成纤维薄膜。
无纺布复合隔膜
无纺布复合隔膜通常通过涂覆、静电纺丝、湿法抄造、熔喷纺丝、热压等工艺,将无纺布基膜与一种或多种功能性膜层复合而成,用以改善无纺布隔膜的性能与结构,常用的无纺布包括纤维素无纺布、聚烯烃无纺布以及聚酯无纺布等,一般地,无纺布复合隔膜可分为单层复合隔膜和多层复合隔膜。
单层复合隔膜
单层复合隔膜是指在无纺布表面直接引入无机陶瓷颗粒或有机聚合物进行原位复合改性的无纺布隔膜,其中涂覆工艺的应用范围较广,通过涂覆Al2O3、 勃姆石、SiO2、MgO2、TiO2、ZrO2等具有高力学稳定性、高比表面积和高热稳定性的陶瓷颗粒进行填充改性,有助于制备出具有高耐热性、高安全性、高吸液保液性能的有机-无机复合隔膜。
多层复合隔膜
多层复合隔膜是将不同性质的单一材料,通过涂覆、热压、静电纺丝、湿法抄造等工艺再结合成型的二次改性隔膜。为改善无纺布隔膜的孔隙率、孔径大小及其分布,可通过与其他材料进行复合提高材料特性以满足锂离子电池对无纺布多层复合隔膜的要求。
随着锂离子电池应用扩展,市场对锂离子电池性能的要求越来越高,电池的安全性问题愈发严峻。目前主流的聚烯烃类隔膜耐热稳定性差,使得锂电池的发展具有技术上的障碍,因此开发采用耐高温材料的新型无纺布隔膜,是当前发展及研究隔膜的重要方向。
值得注意的是,到目前为止,尚未有企业真正规模化使用无纺布隔膜生产锂离子电池,实现锂离子电池无纺布隔膜大规模应用还需要解决以下问题:
第一,成本问题。无纺布隔膜的成本、造价高于传统的聚烯烃隔膜。
第二,厚度问题。无纺布厚度较大,对电池能量密度造成较大损耗。
第三,机械强度。无纺布隔膜抗拉强度偏低,难以应用于高速绕卷工艺。
第四,孔径问题。无纺布隔膜固有大孔径提高电池倍率性能,但存在短路风险。
参考资料:
陈莉,无纺布隔膜用于锂离子电池的研究进展
王洪建,高安全性锂离子电池隔膜制造工艺研究进展
伯章,杜邦公司开发锂离子电池用聚酰亚胺隔膜
夏清华,锂离子电池新型隔膜技术及市场概况
(中国粉体网编辑整理/江岸)
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