隔膜

华东理工大学研发新型超薄勃母石涂层隔膜，提升锂离子电池安全性

第一电动大牛作者新能源Leader 2017-03-27 10:28

安全性一直是锂离子电池关注的要点，随着锂离子电池能量密度的不断提高，隔膜等非活性材料也在不断的减薄，从而使得锂离子电池安全性风险不断升高，去年被炒的火热的三星Note 7手机爆炸事件，据信就是由于追求高能量密度，从而导致隔膜减薄，使得电池安全性降低，电池在特定的情况下会发生爆炸起火。为了提高锂离子电池的安全性，特别是在短路和针刺等特殊情况下的安全性，人们开发了新型的涂层隔膜，在发生短路或者内短路的情况下，电池内部发生过热，经过涂层处理后的隔膜能够有效的阻止高温收缩，从而避免正负极直接接触短路，引发更为严重的热失控，避免电池发生起火和爆炸等严重的安全问题。

传统的涂层隔膜一般是使用Al2O3或者MgO颗粒作为原料，涂层厚度一般为2-3um，最近来自华中科技大学的Chongwen Yang等人开发了一种勃母石(AlOOH)涂层隔膜，据Chongwen Yang表示，该隔膜能够在保证热稳定性不变的前提下，大幅降低涂层的厚度1.15um，这主要是因为PE达到140℃融化后，AlOOH与PE之间相互融合产生稳定的界面结构，从而防止PE隔膜继续收缩，目前该研究成果已经发表在了最新一期的《Journal of PowerSource》杂志上。

实验中Chongwen Yang将平均直径为350nm的AlOOH颗粒(35%)，聚乙烯醇PVA(1%)，溶解在去离子水中，然后利用滚涂设备在16um的PE隔膜的正反面分别涂布一层上述浆料(1.15um)，然后在60℃下干燥24h，涂布层的厚度可以通过控制滚涂的速度来进行控制。Chongwen Yang分别测试了上述改造隔膜和未改造隔膜的收缩率和润湿性，以及离子电导率，用来对比两种隔膜的性能。

在对隔膜进行的其他性能测试中发现，结果如下表所示，从结果来看，改性隔膜的针刺强度和抗拉强度仅有轻微的下降，但是在透气性方面却相比原始PE隔膜有20%左右的下降，这将会对离子迁移产生一定的影响，但是好在这一劣势被AlOOH改性隔膜良好的润湿性所抵消，原始PE隔膜的润湿角为42.5度，而AlOOH改性隔膜的润湿角是0度，表明改性隔膜具有优异的电解液润湿性。

离子电导率也是影响隔膜离子通过性的一个重要的指标，离子电导率测试是将隔膜制成扣式电池，然后采用交流阻抗方式进行测试，然后利用下式进行计算，其中d和S分别是隔膜的厚度和面积，Rb为等效电阻。测试结果显示，AlOOH改性隔膜的离子电导率为6.56´10-3S/cm，而原始的PE隔膜的离子电导率仅为3.48´10-3S/cm

Chongwen Yang还利用上述隔膜制成了LTO半电池，用于测试改性隔膜的倍率性能和循环性能，测试结果如下图所示。从倍率测试结果来看，在较高倍率下(1C和2C)，采用AlOOH改性处理的隔膜具有更好的性能。循环测试同样表明AlOOH涂层处理能够改善电池的循环性能，在1C倍率下循环100次后，AlOOH改性隔膜电池的容量保持率为96.3%，而原始PE隔膜电池的容量保持率为94.6%。

研究显示，改性隔膜还能显著的提升电池的过充性能，下图是分别采用AlOOH改性隔膜和普通PE隔膜的LFP电池在3C倍率下过充到10V的实验，图a中，采用原始PE隔膜的电池在过充15min后，电池泄漏，并冒出大量白烟，电池表面温度达到104.8℃，而采用AlOOH改性隔膜的电池在过充过程中没有泄漏或者冒烟，电池表面温度达到103.4℃。