تغییراتی که توسط چهار ماده جدید جدا کننده باتری لیتیوم به باتری های لیتیوم وارد شده است

به عنوان یک ماده کلیدی برای باتری های لیتیوم، جدا کننده باتری نقش در جدا کردن الکترون ها را بازی می کند،جلوگیری از تماس مستقیم بین الکترودهای مثبت و منفی و اجازه عبور آزاد یون های لیتیوم در الکترولیتدر عین حال، جدا کننده نیز نقش حیاتی در تضمین عملکرد ایمن باتری دارد. صنعت جدا کننده باتری لیتیوم کشور من در مرحله ای از توسعه سریع است و جدا کننده های مرطوب به تدریج به مسیر اصلی فنی تبدیل شده اند.هنوز شکاف بزرگی بین سطح فنی کلی جداکننده های داخلی و سطح فنی شرکت های سطح اول بین المللی وجود دارد..

در زمینه توسعه تکنولوژی، جداکننده های پلیولفینی سنتی دیگر نمی توانند نیازهای فعلی باتری های لیتیوم را برآورده کنند.قدرت بالا، و رطوبت خوب به الکترولیت جهت توسعه باتری های لیتیوم یون در آینده است.

به عنوان یک ماده کلیدی برای باتری های لیتیوم، جدا کننده نقش در جداسازی الکترونیک را بازی می کند،جلوگیری از تماس مستقیم بین الکترودهای مثبت و منفی و اجازه عبور آزاد یون های لیتیوم در الکترولیتدر عین حال، جداکننده نیز نقش مهمی در تضمین عملکرد ایمن باتری دارد.

در شرایط خاص، مانند حوادث، سوراخ کردن، سوء استفاده از باتری و غیره، جدا کننده ممکن است تا حدودی آسیب ببیند و باعث تماس مستقیم بین الکترود مثبت و منفی شود.که ممکن است باعث واکنش شدید باتری شود و باعث شود باتری آتش بگیرد و منفجر شود..

بنابراین، برای بهبود ایمنی باتری های لیتیوم یون و اطمینان از عملکرد ایمن و بدون مشکل باتری، جداکننده باید شرایط زیر را برآورده کند:

1ثبات شیمیایی: با الکترولیت ها و مواد الکترود واکنش نشان نمی دهد

2. رطوبت: آسان به رطوبت با الکترولیت و کشش و یا کوچک نمی شود

3- ثبات حرارتی: مقاومت در برابر دمای بالا و دارای جداسازی فیوز بالا

4مقاومت مکانیکی: مقاومت کششی خوب برای اطمینان از اینکه قدرت و عرض در طول پیچ خودکار تغییر نمی کند

5. منافذیت: منافذیت بالاتر برای پاسخگویی به نیازهای رسانایی یون

در حال حاضر جدا کننده های باتری لیتیوم در بازار عمدتا جدا کننده های پلیولفینی میکروپروسیس مبتنی بر پلی اتیلن (PE) و پلی پروپیلن (PP) هستند.این نوع جدا کننده به هزینه پایین خود متکی است، خواص مکانیکی خوب و عالی به دلیل مزایای آن مانند ثبات شیمیایی و ثبات الکتروشیمیایی در جدا کننده های باتری لیتیوم به طور گسترده ای استفاده می شود.

با این حال، با توجه به سطح لیوفوب و انرژی سطح پایین خود مواد پلیولفین، این نوع جدا کننده دارای رطوبت ضعیف به الکترولیت است، که بر عمر چرخه باتری تاثیر می گذارد..

علاوه بر این، از آنجایی که دمای تغییر گرما PE و PP نسبتا کم است (دمای تغییر گرما PE 80-85°C و PP 100°C است) ،جداکننده در صورت بالا بودن دمای آن دچار انقباض حرارتی شدید می شود.، بنابراین این نوع جدا کننده برای استفاده در محیط های با دمای بالا مناسب نیست.جداکننده های سنتی پلیولفین نمی توانند نیازهای محصولات 3C و باتری های قدرت امروزی را برآورده کنند.

در پاسخ به نیازهای توسعه فناوری باتری لیتیوم یون، محققان مواد جدا کننده جدید باتری لیتیوم را بر اساس جدا کننده های سنتی پلیولفین توسعه داده اند.جداکننده های غیر بافته از روش های غیر بافته برای جهت گیری یا مرتب کردن تصادفی فیبر ها برای تشکیل یک ساختار شبکه فیبر استفاده می کنند، و سپس از روش های شیمیایی یا فیزیکی برای تقویت غشا برای تشکیل یک فیلم استفاده کنید، به طوری که نفوذ هوا و میزان جذب مایع خوب باشد.

مواد طبیعی و مواد مصنوعی به طور گسترده ای در آماده سازی غشا غیر بافته استفاده شده است. مواد طبیعی عمدتا شامل سلولز و مشتقات آن است.مواد مصنوعی شامل پلی اتیلن ترفتالات (PET) می باشدفلوراید پلی وینیلدین (PVDF) ، فلوراید پلی وینیلدین (PVDF) ، فلوراید وینیلدین- هکسافلورپروپیلن (PVDF- HFP) ، پلی آمید (PA) ، پلی آمید (PI) ، آریامید (متا آریامید، PMIA؛ پار آریامید PPTA) و غیره.

1

پلی اتیلن ترفتالات

پلی اتیلن ترفتلات (PET) یک ماده با خواص مکانیکی عالی، خواص ترمودینامیک و خواص عایق الکتریکی است.نمایانترین محصول جدا کننده های PET یک غشای ترکیبی است که توسط شرکت Degussa آلمان توسعه یافته است.، که بر اساس جدا کننده های PET و پوشش داده شده با ذرات سرامیکی است.

شیائو کیژن از دانشگاه شیانگتان و دیگران (2012) از روش الکترو اسپینینگ برای آماده سازی جدا کننده های نانوفایبر PET استفاده کردند.جدا کننده های تولید شده از نانو فیبر دارای ساختار شبکه متخلخل سه بعدی هستند.، متوسط قطر فیبر 300nm است، و سطح صاف است.

نقطه ذوب جدا کننده الکتروپین PET بسیار بالاتر از فیلم PE است که 255 °C است، حداکثر مقاومت کششی 12Mpa است، منافذ به 89٪ می رسد،میزان جذب مایع به 500 درصد می رسد.، که بسیار بالاتر از جدا کننده Celgard در بازار است و رسانایی یون به 2.27 × 10-3Scm-1 می رسد و عملکرد چرخه نیز بهتر از جدا کننده Celgard است.ساختار فیبر متخلخل جدا کننده PET پس از 50 چرخه چرخه باتری پایدار باقی می ماند، همانطور که در (الف) نشان داده شده است.

2

پلی آمید

پلی آمید (PI) نیز یکی از پلیمرهای دارای خواص جامع خوب است.و می تواند برای مدت طولانی در -200 تا 300 °C استفاده شود.

Miao et al. (2013) برای ایجاد جدا کننده نانوفایبر PI از الکتروسپینینگ استفاده کرد. دمای تخریب جدا کننده 500 درجه سانتیگراد است که 200 درجه سانتیگراد بالاتر از جدا کننده سنتی Celgard است.همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است، پیری و انقباض حرارتی در شرایط دمای بالا 150°C رخ نمی دهد.

دوم، به دلیل قطبیت قوی PI و رطوبت خوب آن به الکترولیت، جدا کننده تولید شده دارای نرخ جذب مایع عالی است.جدا کننده PI ساخته شده توسط الکترو اسپینینگ دارای مقاومت پایین تر و عملکرد نرخ بالاتر از جدا کننده Celgard استمیزان حفظ ظرفیت هنوز هم 100٪ پس از 100 چرخه شارژ و تخلیه در 0.2C است.

(الف) انقباض حرارتی جداکننده های Celgard، PI 40μm و 100μm قبل از (a، b، c) و پس از (d، e، f) درمان در 150°C؛ (ب) آزمایش سرعت

3

متارامید

PMIA یک پلی آمید خوشمزه با زنجیره های شاخه دار متا-آنیلین در اسکلت آن است و مقاومت حرارتی تا 400 درجه سانتیگراد دارد. به دلیل خواص بالا ضد شعله،جداکننده هایی که از این ماده استفاده می کنند می توانند عملکرد ایمنی باتری ها را بهبود بخشند.

علاوه بر این، به دلیل قطب نسبتا بالا گروه کربونیل، جدا کننده دارای رطوبت بالاتر در الکترولیت است، بنابراین خواص الکتروشیمی جدا کننده را بهبود می بخشد.

به طور کلی، جدا کننده های PMIA با روش های غیر منسوج مانند الکترو اسپینینگ تولید می شوند. با این حال، به دلیل مشکلات ذاتی جدا کننده های غیر منسوج مانند اندازه های بزرگتر منافذ،خود تخلیه بر عملکرد ایمنی و عملکرد الکتروشیمی باتری تأثیر می گذارداین کار تا حدودی استفاده از جداکننده های غیر منسوج را محدود می کند، اما روش معکوس فاز به دلیل انعطاف پذیری و قابلیت کنترل آن چشم انداز تجاری دارد.

تیم ژو باکو از دانشگاه ژجیانگ (2016) یک جدا کننده PMIA مانند اسفنج را از طریق روش معکوس فاز تولید کرد ، همانطور که در شکل نشان داده شده است. توزیع اندازه منافذ متمرکز است ،۹۰ درصد اندازه منافذ کمتر از میکرو است، و مقاومت کششی به اندازه 10.3Mpa است.

جداکننده PMIA که با روش معکوس شدن فاز ساخته شده است دارای ثبات حرارتی عالی است. هیچ از دست دادن جرم آشکار در هنگام افزایش دمای 400 ° C وجود ندارد.جدا کننده پس از درمان در 160 °C برای 1 ساعت کوچک نمی شود.

همچنین به دلیل گروه های عملکردی قطبی قوی، زاویه تماس جدا کننده PMIA کوچک است، تنها 11.3 ° و ساختار اسفنج مانند اجازه می دهد تا مایع را به سرعت جذب کند،که عملکرد مرطوب کننده جدا کننده را بهبود می بخشد، زمان فعال شدن باتری را کاهش می دهد و چرخه های طولانی را ثبات می دهد.

علاوه بر این، به دلیل ساختار متخلخل در داخل ساختار اسفنج مانند جدا کننده PMIA، یون های لیتیوم می توانند به آرامی در داخل آن منتقل شوند،بنابراین رسانایی یونی جدا کننده ساخته شده توسط روش وارونه فاز به اندازه 1 است.۵۱ میلی ثانیه ̇ سانتی متر

4

پلی پارافنیلن بنزودیازول

ماده پلیمر جدید PBO (پولیفینیلن بنزودیازول) یک فیبر آلی با خواص مکانیکی عالی، ثبات حرارتی و مقاومت در برابر شعله است.ماتریس آن یک پلیمر ساختار زنجیره ای خطی است که در زیر 650 درجه سانتیگراد تجزیه نمی شوداین ماده دارای قدرت و مدول فوق العاده بالایی است و یک ماده فیبر مقاوم در برابر حرارت و مقاومت در برابر ضربه است.

از آنجا که سطح فیبر PBO بسیار صاف و از نظر فیزیکی و شیمیایی بی اثر است ، تغییر شکل فیبر دشوار است. فیبر PBO فقط در 100٪ اسید سولفوریک متمرکز قابل حل است ،اسید متیلسولفون، اسید فلوروسولفونیک و غیره پس از حکاکی اسید قوی، فیبریل های فیبر PBO از تنه اصلی جدا می شوند و یک مورفولوژی رشته تقسیم شده را تشکیل می دهند.که باعث بهبود نسبت سطح و قدرت اتصال رابط می شود.

a) فیبریل های PBO؛ b) ساختار غشای نانوفایبر PBO

Hao Xiaoming et al. (2016) از یک اسید مخلوط از اسید متان سولفونیک و اسید تری فلورو اکتیک برای حل فیبریل های PBO برای تشکیل نانوفایبر استفاده کردند.و سپس یک جدا کننده نانوپوروس PBO را از طریق روش معکوس فاز آماده کرد.

قدرت نهایی جدا کننده می تواند به 525Mpa برسد، ماژول جوان 20GPa است، ثبات حرارتی می تواند به 600°C برسد، زاویه تماس جدا کننده 20° است،که کوچکتر از زاویه تماس 45° جدا کننده Celgard2400 باشد، و رسانایی یونی 2.3 × 10-4S · cm-1 است که عملکرد بهتری نسبت به جدا کننده تجاری Celgard2400 در شرایط چرخه 0.1C دارد.

با توجه به فرآیند تولید دشوار فیبریل های PBO، تنها تعداد انگشت شماری از شرکت ها در سراسر جهان هستند که فیبر های PBO با کیفیت بالا را تولید می کنند و همه آنها از پلیمریزاسیون مونومر استفاده می کنند.الیاف تولید شده PBO نیاز به درمان شدید اسید دارند و در زمینه جدا کننده باتری لیتیوم استفاده دشوار است..

تیم YoungMooLee دانشگاه هانایانگ (2016) از نانوذرات HPI (هیدروکسیپولیامید) برای آماده سازی جدا کننده کامپوزیت نانوفایبر TR-PBO از طریق تنظیم مجدد حرارتی استفاده کرد.علاوه بر قدرت بالا و مقاومت حرارت بالا از مواد PBO خود، جدا کننده علاوه بر مزایا، توزیع اندازه منافذ متمرکز تر است، اندازه منافذ کوچکتر است و نیازی به آماده سازی در شرایط قوی اسید و قلیایی ندارد.