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锂离子电池隔膜干法和湿法两种生产工艺比较

发布时间:2019-05-14 10:43:21浏览次数:15959次

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  电动汽车使用环境相对严苛,对安全性要求较高,需要使用厚膜,湿法工艺制作的隔膜较薄,容易击穿导致电池短路,而干法工艺制作的隔膜厚度通常在20-40um,且熔点高,具有较强的安全性,因此主要使用干法隔膜。干法双拉工艺由于隔膜孔径分布不均匀,稳定性较差,因此电动汽车主要采用干法单拉工艺的隔膜。此外,干法隔膜制作成本要比湿法工艺低,动力和储能领域使用的电池需要使用大量隔膜,对于成本更敏感,因此干法隔膜最适合动力和储能电池使用。便携式电池对于成本相对不敏感,更注重能量密度,干法隔膜厚度太高会导致电池能量密度低,而湿法隔膜厚度可以低至9um。从成本和技术两个维度考量,干法短期将主导国内动力隔膜市场,但从长远来看,湿法工艺是今后技术的演变方向。

锂离子电池结构

  性能比较上看,湿法涂覆膜未来将是大趋势。就目前的技术工艺发展情况看,陶瓷涂覆工艺是提升隔膜品质的一种有效方式。涂覆隔膜是指在基膜上涂布PVDF 等粘黏剂或陶瓷氧化铝。这样带来的直接作用是提高隔膜耐热收缩性,防止隔膜收缩造成大面积短路;防止电池中的某些热失控点扩大形成整体热失控。而在保障隔膜力学性能以及电化学性能的基础之上,能尽可能的降低隔膜的厚度,降低隔膜的内阻提高电池的体积容量和倍率性能。

锂离子电池结构

  随着我国锂离子电池市场容量的快速增加,刺激了对锂电池隔膜的需求。据统计,2009 年我国国内锂电池市场锂电隔膜需求量为1.35 亿平方米,而到了2015 年需求量达到了6.20 亿平方米,同比增长35.96%,2009 年至2015 年,复合增长率达到了28.93%。中国名义产能过剩,高端产品依赖进口。目前中国隔膜市场产能过剩,2015 年底国产隔膜总产能已达有效产能已经达到15 亿平方米,产能远超需求量。另外,国产隔膜超过1/3 采用干法双拉工艺,产品档次和售价较低,无法应用于动力电池领域。名义产能严重过剩,但是中高端产品依然依赖进口。

  锂电池工作原理与结构详细解读

  1、锂电池基本结构

  主要材料:正极、负极、电解液、隔膜

  结构:圆形、方形;叠片、卷绕

  形态:聚合物(软包装)、液态锂离子(钢壳)

  动力电池原理概念 原来如此简单!

  2、锂电池工作原理

  正极材料:LiMn2O4,负极材料:石墨

  充电时正极的Li+和电解液中的Li+向负极聚集,得到电子,被还原成Li镶嵌在负极的碳素材料中。放电时镶嵌在负极碳素材料中的Li失去电子,进入电解液,电解液内的Li+向正极移动。

  3、锂电池组成原理

  ①正极构造

  LiMn2O4(锰酸锂)+导电剂(乙炔黑)+粘合剂(PVDF)+集流体(铝箔)正极

  ②负极构造

  石墨+导电剂(乙炔黑)+粘合剂(PVDF)+集流体(铜箔)负极

  动力电池原理概念 原来如此简单!

  4、充电过程

  电源给电池充电,此时正极上的电子e从通过外部电路跑到负极上,正锂离子Li+从正极“跳进”电解液里,“爬过”隔膜上弯弯曲曲的小洞,“游泳”到达负极,与早就跑过来的电子结合在一起。

  正极上发生的反应为LiMn2O4==Li1-xMn2O4+Xli++Xe(电子)

  负极上发生的反应为6C+XLi+Xe==LixC6

  5、放电过程

  电池放电,此时负极上的电子e从通过外部电路跑到正极上,正锂离子Li+从负极“跳进”电解液里,“爬过”隔膜上弯弯曲曲的小洞,“游泳”到达正极,与早就跑过来的电子结合在一起。

  正极上发生的反应为Li1-xMn2O4+xli++xe(电子)==LiMn2O4

  负极上发生的反应为LixC6==6C+xLi+xe

  锂离子电池内部组件成本结构图

  隔膜:技术壁垒最高,中高端供不应求

  隔膜是决定锂离子电池性能、安全性和成本的重要部分。锂离子电池的放电原理是正极材料中的锂离子Li+脱嵌,通过电解液移动到负极中,电子则通过外电路从正极移动到负极中形成电流。正负极材料一旦发生接触就会导致电池发生短路,甚至发生燃烧和爆炸。而隔膜作为一种绝缘材料,其主要作用在于防止正负极材料接触导致短路,成为保障电池安全的最重要部分之一。隔膜能够浸润在电解液中,而且表面上有大量允许锂离子通过的微孔。材料、厚度和微孔数量等特性都会影响锂离子穿过隔膜的速度,进而影响到电池的放电倍率、循环寿命等性能。在四大锂离子电池材料中,隔膜的成本占比仅次于正极材料,约为10%-15%,在一些高端电池中,隔膜成本占比甚至超过20%,主要原因在于:四大锂离子电池材料中,隔膜技术壁垒最高,毛利率最高。

  

  锂离子电池隔膜性能和技术要求

  干法和湿法是锂电池隔膜的主要生产工艺,但湿法膜涂覆将是大趋势锂电池隔膜的生产工艺包括湿法工艺和干法工艺,同时干法工艺又可分为单向拉伸工艺和双向拉伸工艺。

  湿法工艺将液态烃或一些小分子物质与聚烯烃树脂混合,加热熔融后,形成均匀的混合物,然后降温进行相分离,压制得膜片,再将膜片加热至接近熔点温度,进行双向拉伸使分子链取向,最后保温一定时间,用易挥发物质洗脱残留的溶剂,可制备出相互贯通的微孔膜材料。日本旭化成、日本东燃、韩国SK 等均采用此工艺。

锂离子电池

  干法可细分为单向拉伸工艺和双向拉伸工艺。干法单向拉伸工艺是通过生产硬弹性纤维的方法,制备出低结晶度的高取向聚丙烯或聚乙烯薄膜,再高温退火获得高结晶度的取向薄膜。这种薄膜先在低温下进行拉伸形成微缺陷,然后在高温下使缺陷拉开,形成微孔。美国celgard、日本宇部兴产等采用此工艺。干法双向拉伸工艺是中国科学院化学研究所在20 世纪90 年代初开发出的具有自主知识产权的工艺。通过在聚丙烯中加入具有成核作用的β晶型改进剂,利用聚丙烯不同相态间密度的差异,在拉伸过程中发生晶型转变形成微孔,用于生产单层PP 膜。目前中国三分之一以上产能使用干法双拉工艺,产品在中低端市场占据较大比例。

  标题:锂离子电池隔膜干法和湿法两种生产工艺比较  地址:http://www.batthr.com/news/dianchizhishi/184709.html

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