纸基电池隔膜的制备研究进展及其应用前景(3)
1.2.4 湿法抄造工艺
湿法抄造工艺是根据传统抄纸工艺, 将纸浆纤维、纳米纤维或合成纤维按照一定比例进行抄造,形成一种孔隙率高、热稳定性高、润湿性能好的电池隔膜。 这种隔膜的制备方法具有绿色环保、简单、成本低等优点。
图2 静电纺丝装置图
1.3 纸基电池隔膜的性质
电池隔膜虽然不参与电池中任何化学反应,但是却对电池的循环性能、安全性能、容量、热稳定性能等起到关键的作用, 所以电池隔膜必须具有一定的性能特点才能满足电池的要求。 电池隔膜的主要性能包括力学性能、 厚度均匀性、 孔隙率和孔径分布、吸液率(浸润性)、热稳定性和化学稳定性等其他理化性能[34],电池隔膜的主要性能指标如表2 所示(并不适用于所有的纸基电池隔膜材料)[2,22,29]。
表2 电池隔膜材料的性能指标电池隔膜参数 技术标准膜厚 <25 μm电阻 <2 Ω电导率 >10-3 S/cm孔径 <1 μm透气度Gurley值 40~300 s孔隙率 -40%穿刺强度 >11 820 g/mm混合渗透强度 >38 600 N/mm收缩率 <5%(纵向和横向)抗拉强度 <2%(6.895 MPa下补偿)闭孔温度 -130 ℃熔融完整性 >150 ℃浸润性 完全浸润尺寸均一性 隔膜平整化学稳定性 电池稳定时间足够长扭曲度 <0.2
1.3.1 机械强度
机械强度对电池的安全性能影响较大, 主要包括穿刺强度和拉伸强度[35]。 纸基电池隔膜的机械强度良好,但由于纤维较细,一般采取与聚烯烃类合成纤维相结合的方式制成电池隔膜, 以达到更好的机械强度,同时这样生产出的纸基电池隔膜厚度适中,也更加安全[33]。
1.3.2 孔隙率和孔径分布
电池隔膜表面需要有适当的孔为锂离子的传输提供通道, 隔膜的孔径大小和孔隙率会直接影响隔膜的循环性和安全性[2,22]。 以纤维素为主要材料通过化学、 物理等方式改性得到的纸基电池隔膜的孔隙率高、孔径大小均匀,相比于其他电池隔膜,成本更低,质量也更轻[36]。
1.3.3 浸润性能
商业化的电池隔膜如聚烯烃类隔膜, 浸润性较差,容易造成电池的内部电阻较高,影响电池的使用寿命和性能[37]。由于纤维素的浸润性好,制成的纸基电池隔膜也拥有良好的浸润性, 有效延长了电池的使用寿命和安全性能[22]。
1.3.4 热稳定性能
电池在撞击、短路、过充时,会放出大量的热,电池隔膜必须具备良好的热稳定性[38]。 纤维素中由于大量羟基的存在, 使得纤维素分子之间的氢键作用力强,这赋予了纸基电池隔膜良好的耐热性能,而传统的聚烯烃类电池隔膜不耐高温,且在高温情况下还会产生热收缩,对电池的安全性能造成影响[39]。 同时,纸基电池隔膜能够生物降解,利于保护环境[33]。
1.3.5 化学稳定性
在充放电时, 电池内部的正负极会发生氧化还原反应,因此电池隔膜应具有良好的化学稳定性,且电池隔膜不会与电池的电解液发生化学反应[24]。 目前,一些新型合成聚合物膜的电化学性优异,但是生产成本高,制造工艺复杂;而纸基电池隔膜的化学性能与聚烯烃类隔膜相比较为稳定,成本低,更适合于生产制造[22]。
2 纸基电池隔膜的应用前景和亟待解决的问题
综上所述,已有很多纸基电池隔膜制备方法,但最主要的方法还是利用造纸技术进行制备, 这也为纸基电池隔膜的工业化生产提供了模板和可能性。纤维素作为一种低成本、环境友好、易获得的可再生资源,将其应用于高附加值的电池隔膜的制备,具有十分光明的应用前景。
但是,由于纸基电池隔膜的研究相对较晚,而且其隔膜的厚度、匀度、孔隙率等相对于聚烯烃隔膜仍有一定的差距, 纸基电池隔膜中的纤维素还可能会溶解于电池中的有机电解液, 如果能较好地解决这些问题将会进一步加速纸基电池隔膜的应用和发展,进一步提升其在电池隔膜领域中的竞争力。
2.1 应用前景
纤维素纸基隔膜凭借其优良的各项性能, 已经成为电池行业研究的重点, 甚至可能会超过传统聚烯烃类隔膜[24]。
国内有研究人员利用仿生贻贝类材料多巴胺的自组装性能,在纸基隔膜表面涂覆一层聚多巴胺层,可以赋予纤维胶黏性,且具有良好的机械强度、稳定性和循环性,可以应用于电池密度大的电池内[22]。
纤维素还可以与各种聚合物复合, 从而达到某些特殊性能要求, 如单离子导体和纤维素复合制成的电池隔膜可以具有较好的倍率性能和低温充放电性能[18]。此外,以纤维素为原材料制备光电材料、 智能材料和生物医用材料等的研究也受到了许多学者的关注[24]。
文章来源:《机械强度》 网址: http://www.jxqdzzs.cn/qikandaodu/2020/1109/359.html
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