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新型電池隔膜材料

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作為隔離正負(fù)極片的薄膜材料, 厚度僅在幾微米到幾十微米之間, 其在很大程度上影響著電池的電化學(xué)性能與安全穩(wěn)定性。2012年,全球鋰電隔離膜市場需求量將近5億m2,產(chǎn)值約15億美元。在我國,約80%的鋰離子電池隔膜依靠進(jìn)口, 實(shí)際電池隔膜產(chǎn)量僅有約6 000 萬~8 000萬m2。根據(jù)工信部《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2011~2020年)》, 到2020 年,純電動(dòng)汽車和插電式混合動(dòng)力汽車生產(chǎn)能力達(dá)200萬輛/年。據(jù)此估算,未來我國每年需要的高品質(zhì)車用動(dòng)力電池隔膜材料需求量將達(dá)到數(shù)億平方米。但目前我國自主生產(chǎn)的動(dòng)力電池隔膜絕大多數(shù)為中低端產(chǎn)品,高品質(zhì)電池隔膜產(chǎn)業(yè)仍是空白。

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目前,鋰離子電池隔膜的材料主要為熱塑性聚烯烴材料,如使用聚乙烯(PE)和聚丙烯(PP)為基材制造的微多孔性膜(包括國內(nèi)近些年陸續(xù)新建的電池隔膜項(xiàng)目)。上述隔膜雖具有較高的強(qiáng)度和較好的化學(xué)穩(wěn)定性,但聚烯烴隔膜的極性很小,與電解液的親和性差;此外,耐化學(xué)腐蝕性不高,易于老化等因素嚴(yán)重影響了電池的循環(huán)使用壽命;同時(shí),由于PE、PP材料的熔點(diǎn),導(dǎo)致其在高溫下易產(chǎn)生變形,當(dāng)由于大功率放電導(dǎo)致電池局部放熱升溫時(shí), 隔膜會(huì)發(fā)生融化,在溫度上升后會(huì)部分熔解堵住孔穴,造成電池短路等安全問題。目前,有希望制成隔膜的高溫穩(wěn)定材料體系包括:陶瓷層涂覆處理的聚乙烯(陶瓷+PE)和聚丙烯(陶瓷+PP)微孔膜、涂層處理的聚酯(PET)膜、聚酰亞胺(PI)膜、聚酰胺(PA)膜,氨綸或芳綸膜、纖維素膜等。

2012 年,日本廣瀨制紙利用電紡絲法開發(fā)出了以聚烯烴無紡布為基材、由納米級聚乙烯醇(PVA)纖維紡絲制成的鋰電池隔膜,平均孔徑在500nm以下,厚度只有20~30μm, 與傳統(tǒng)多孔樹脂隔膜相比,價(jià)格更低,耐熱性好。2012年,日本帝人推出了以芳綸纖維為基礎(chǔ)、涂裝氟類化合物的新型隔膜,使得鋰電池的輸出功率提高了20%,并且使用壽命較傳統(tǒng)隔膜延長數(shù)倍,帝人與韓國CNF公司合資成立的涂裝加工及生產(chǎn)隔膜的Teijin CNF Korea 公司也于2012年投產(chǎn)。2012年,日本東麗推出了新型微多孔芳綸薄膜,由于具有優(yōu)異的耐熱性和尺寸穩(wěn)定性,能夠滿足今后車載鋰離子電池大容量和高輸出功率的要求。2013年, 美國杜邦公司宣稱已經(jīng)推出了聚酰亞胺型EnergainTM 動(dòng)力鋰離子電池隔膜,產(chǎn)品可以在200 ℃以上的環(huán)境長期使用。盈創(chuàng)德固賽公司利用無機(jī)陶瓷材料的高溫?zé)岱€(wěn)定性能,以聚酯無紡布為基材,通過涂覆無機(jī)陶瓷材料,推出了適合于鋰離子動(dòng)力電池使用的SeparionTM 陶瓷隔膜,耐溫性能同樣可以達(dá)到200 ℃以上。

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在我國,隔膜新工藝、材料新體系方面實(shí)施產(chǎn)業(yè)化代表性企業(yè)有兩家,一是北京首科噴薄科技發(fā)展有限公司,依托中國科學(xué)院理化研究所,采用電紡工藝,制造聚酰亞胺(PI)—陶瓷、聚偏氟乙烯(PVDF)—陶瓷等納米纖維隔膜,目前已完成中試,建成了30萬m2/a的中試線,后續(xù)計(jì)劃建設(shè)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)示范工廠;二是江西先材納米纖維科技有限公司,依托江西師范大學(xué),采用電紡工藝制造PI 隔膜,目前已完成中試,產(chǎn)能9萬m2/a,同時(shí)該公司也公布了相應(yīng)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展計(jì)劃。

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