氧化铝、勃姆石粉体材料是如何提升锂电池隔膜性能的？

日期：2022-05-05 浏览次数：次

传统(tong)锂(li)离子电(dian)池隔膜(mo)熔点低（聚(ju)乙烯(xi)PE为135℃、聚丙烯PP为165℃），在高温下的稳定性较差，严重影响电池的安全性，需要提升其热力学稳定性，以便满足锂电池更高的要求。目前利用具有较高的耐热性和机械强度的无机粉体（如氧化铝Al₂O₃、勃(bo)姆石AlOOH等）制备锂电池陶(tao)瓷(ci)复合隔膜(mo)，不仅(jin)可(ke)以提高隔膜(mo)的(de)机(ji)械强度(du)并减(jian)小隔膜(mo)的(de)热收缩，而(er)且掺入的(de)Al₂O₃、AlOOH与电解质具有良好的亲和力，能够增强电解质的吸收率，从而有助于实现锂离子的均匀分布。下面重点介绍Al₂O₃、AlOOH锂电池陶瓷复合隔膜的组分、结构和性能对锂离子电池综合性能的影响。

一、Al₂O₃陶瓷复合隔(ge)膜

Al₂O₃具(ju)有优(you)异的化学(xue)惰性(xing)、热稳定(ding)性(xing)和机械性(xing)能，作为(wei)锂(li)电池隔膜陶瓷涂层其具(ju)有独(du)特的优(you)势，高纯Al₂O₃也是目前(qian)锂电池(chi)陶瓷复(fu)合隔膜中使用(yong)量较大的无机粉体(ti)。国家工业和信息化部将锂电池(chi)用(yong)氧化铝列入《重点新材料(liao)首批次应用(yong)示范指(zhi)导目（2019年版）》，并给出相应指标如下：

名称(cheng)

物相

比表面积(ji)

粒度分布

杂(za)质元素(su)质量分数

指(zhi)标

a-Al₂O₃

4~7m2/g，扫描(miao)电镜观(guan)察颗(ke)粒分布(bu)均匀，无(wu)大(da)颗(ke)粒，表面光滑(hua)无(wu)缺陷。

D10＞0.13μm

D50为0.6~0.8μm

D100＜6μm

w（Fe）＜1×10^-4

w（Cu）＜1×10^-5

w（Cr）＜1×10^-5

1.提(ti)升锂电池循环性(xing)能(neng)和(he)倍率(lv)性(xing)能(neng)

通过电子束辐射(she)法(fa)将乙烯(xi)基硅烷偶联剂(ji)接枝到PE隔膜的表面，再将其在Al³⁺溶液中(zhong)进行(xing)水解反应，形(xing)成(cheng)Si-Al₂O₃，将(jiang)超薄Al₂O₃层接枝(zhi)到了多孔聚合(he)物的表面上，与纯PE隔膜相比，合成的Al₂O₃接(jie)枝(zhi)隔膜（Al₂O₃-CGS）在150℃时(shi)几乎没有收缩，并且减小了与液体电解(jie)质的接(jie)触角。将Al₂O₃-CGS组装到全电池，表现出优异的循环性能(neng)和倍率性能(neng)，在170℃时也(ye)能(neng)提供(gong)稳(wen)定的开路(lu)电压。

Al2O3/聚烯烃陶瓷复合隔膜结构示意图

Al₂O₃/聚烯烃陶瓷复合隔膜结构(gou)示意图

2.提升锂电池热稳(wen)定性能

通过水(shui)基浆料制备Al₂O₃/聚丙(bing)烯酸锂（PAALi）陶瓷(ci)复(fu)合隔(ge)膜，其生产更加环保，且(qie)具有出色的(de)热稳定性(xing)。与(yu)PE隔(ge)膜相比，Al₂O₃/PAALi复(fu)合隔(ge)膜(mo)的(de)锂离子(zi)传递(di)数目明显提升至0.41，这是由于PAALi中(zhong)有(you)许多(duo)羧基（—COO—）官能团与离子(zi)发生(sheng)相互作用并促进阳离子(zi)的(de)去溶剂化。Al₂O₃/PAALi复合隔膜具有出色的倍(bei)率性能，即使在5C大(da)电流密度下，放电容量保持(chi)率仍为58%，高于(yu)Al₂O₃/PVDF复(fu)合隔(ge)膜(mo)。因此，这种复(fu)合隔(ge)膜(mo)有(you)望增(zeng)强锂离(li)子电(dian)池的(de)倍率(lv)性能，应用在大功(gong)率(lv)设备(bei)中。

Al2O3/PAALi复合隔膜结构示意图

Al₂O₃/PAALi复合隔膜结构示意图

此外(wai)，通过(guo)静电(dian)纺丝（EBS）技术与湿法相结合制备了Al₂O₃/聚丙烯腈（PAN）纳米纤(xian)维复合膜作为锂离子电(dian)池（LiBs）的(de)隔膜。与纯PAN、PP/Al₂O₃和PP/PE/PP隔膜相比，Al₂O₃/PAN隔(ge)膜具有(you)更高的(de)孔隙率，对液体(ti)电解质(zhi)有(you)更好(hao)的(de)亲和(he)力(li)以及(ji)优异的(de)热力(li)学稳定性。

3.提(ti)升(sheng)锂电池(chi)离子电导率和电解质吸(xi)收率

采用EBS技术制备了纳米Al₂O₃修饰的PVDF-TrFE纳米纤维膜。纳米粒子均匀分布在表面及大部分纳米纤维中增加了纤维直径。XRD分析表明，聚合物存在于β-结晶相中，并且纳米颗粒位于该聚合物的链间距中。Al₂O₃纳(na)米颗粒升高了PVDF-TrFE的熔融温度，并且与Celgard2320隔膜相比，所制备的隔膜均具有出色的热稳定性和尺寸稳定性。特别是由于Al₂O₃纳米颗(ke)粒的路易斯酸(suan)碱性(xing)使得室温下隔膜的离子(zi)电导率(lv)从4mS/cm提高到5.8mS/cm，并将电解质的吸收率从280%提高到350%。

纳米Al2O3修饰的PVDF-TrFE纳米纤维膜

纳米(mi)Al₂O₃修(xiu)饰的(de)PVDF-TrFE纳米纤维膜

二、AlOOH陶瓷复合隔膜

目前，AlOOH开始(shi)逐渐(jian)取代氧(yang)化(hua)铝(lv)成(cheng)为新型的锂电池(chi)隔膜商用(yong)改性粉体(ti)。不过(guo)，隔膜用(yong)AlOOH还没有形(xing)成(cheng)明确标准，目前主(zhu)要(yao)参考隔膜用(yong)氧(yang)化(hua)铝(lv)的技术(shu)指(zhi)标.