高热稳定性锂电池复合隔膜的制备及表征

　　摘要：对于锂电池安全性来说，隔膜的使用具有重要意义。首先对锂离子电池隔膜性能要求作出简要阐述，然后对高热稳定性锂电池复合隔膜的制备进行实验，并对其表征情况进行分析，明确复合隔膜可以发挥的重要作用，希望对业内可以起到一定参考作用。

　　关键词：高热稳定性,锂电池,复合隔膜,表征

　　锂离子电池为二次电池，本身具有能量密度高、循环寿命长、开路电压高、无记忆效应的特点，在移动电子设备、动力装置中得到了十分广泛的使用，现阶段，锂电池隔膜主要是聚烯烃材料，但此种材料具有较大的热收缩率，较低的热熔化温度，可能会为锂电池的使用带来问题。

　　1锂离子电池隔膜性能要求

　　锂离子电池隔膜的性能要求主要包含6个方面，即厚度与气体渗透率、孔隙率与孔径、电解液浸润性与吸液率、热稳定性与热闭孔性能、化学稳定性与电化学窗口、力学性能。通常情况下，锂离子电池隔膜厚度需要在25μm以内，混合电动车、纯电动车锂离子电池隔膜厚度可以达到40μm。力学强度会因为隔膜厚度的提升而提高，但对于快速的充放电会造成影响。与此同时，需要控制锂离子电池隔膜孔径大小，否则正负极活性物质会穿过隔膜，进而对热闭孔性能、拉伸强度造成影响[1]。

　　2高热稳定性锂电池复合隔膜的制备及表征

　　2.1复合隔膜的制备

　　2.1.1实验原料及仪器

　　实验原料主要为美国某公司生产的PVDF-HPF(分子量45×104);我国上海某公司生产的聚乙二醇、二甲基甲酰胺、丙酮以及孔隙率为85%、孔径为1~2μm、厚度为6μm的ePTFE基体;日本某公司生产的孔隙率为43%、厚度为25μm的干法三层PP/PE/PP锂电池隔膜。在实验仪器上，主要为分析点评、精密定时电动搅拌器、真空干燥箱、电池封口机以及真空泵。测试表征仪器主要FE-SEM/S-4800场发射扫描电、NETZSCHSTA449F3热重测试仪器、NETZSCHSTATMA202热机械分析仪器、WDW-0.5万能材料拉伸强度实验机。

　　2.1.2制备工作

　　首先，需要配置铸膜液。在60mL丙酮与DMF(2∶1)溶液当中融入8gPVDF-HFP，利用此混合溶剂，因为丙酮具有较低的表面张力，可以让溶剂表面能得到降低，同时可以让ePTE保持湿润。在该溶液中，添加不同比例的聚乙二醇造孔剂，在60℃环境下，对其进行长达12h的搅拌。加入的PVDF-HFP和聚乙二醇质量比分别为30%、50%、70%、90%与110%。然后，可对复合膜进行制备。在此过程中，主要采用浸渍法。在一10cm×10cm塑料框架中，黏贴ePTFE基体，在60℃真空干燥箱对其进行干燥处理，让水分得到去除。

　　在取出复合膜后，将其平放于一培养皿中，在ePTFE基体倒上之前所配置的铸膜液，利用保鲜膜对其进行密封处理，让溶剂挥发情况得到有效避免。放置其在30℃环境中持续30min，让隔膜可以被铸膜液充分浸润。在取出隔膜后，将其放于真空干燥箱，在100℃环境下对其进行持续6h的干燥处理，在溶剂得到充分去除后，可以将隔膜取出，让其冷却为室温，之后将其放置于去离子水中12h，让聚乙二醇造孔剂得到去除，使多孔结构得以形成。

　　2.2表征分析

　　2.2.1形貌分析

　　在形貌上，对其进行观察分析，发现ePTFE基体显微结构构造和渔网类似，孔隙率相对较高，对于其他树脂的填充、锂离子的穿过具有重要意义，可以避免电池漏液问题。利用PVDF-HFP树脂，在复合ePTFE与PVDF-HFP之后，可以让ePTFE孔隙得到较低结晶度PVDF-HFP的进入，进而对电解液进行吸纳。随着造孔剂比例的增加，复合膜表面与界面孔数量也在增加，其顶峰约在90%比例时出现。

　　2.2.2孔隙率，吸液率及电导率

　　对复合隔膜孔隙率、吸液率和造孔剂比例关系进行探究，可以发现在造孔剂聚乙二醇比例约为90%时，复合隔膜孔隙率、吸液率与电导率达到最大值。在去除聚乙二醇后，复合膜孔隙率发生变化，从27%达到68%，电解吸液率也随之发生变化，从75%达到151%。但是，如果造孔剂比例过大，超过90%，就会让复合膜孔隙率降低，使离子电导率、电解液吸液率降低。

　　2.2.3热闭孔及热收缩性能

　　在热闭孔性能测试中，对复合隔膜与PVDF-HFP树脂进行热分析，发现其熔点接近于161℃，在复合过程中，PVDFHFP树脂的晶体结构没有变化发生。在161~329℃，复合隔膜差热情况没有明显波动，在340℃之前，复合隔膜与PVDFHFP树脂没有重量变化。也就是说，在此温度范围内，利用此电池隔膜可以承受较高温度。

　　对30~162℃的电阻情况进行测试，发现其热力学十分稳定，溶解结构没有出现破坏情况。对高温下复合隔膜安全性进行测试，研究有复合隔膜装配的锂电池开路电压变化情况，发现在多种造孔剂相关比例下，如果温度低于175℃，锂电池开路电压没有熔化情况出现，这主要是因为ePTFE基体具有良好的隔离效果。如果温度达到180℃以上，其开路电压波动剧烈，在200℃时降低至0。利用热机械分析仪对热收缩性能进行测试，发现在60~165℃，随着温度的上升，复合隔膜呈收缩趋势，热机械曲线为负形变。

　　在造孔剂比例不同的条件下，复合隔膜热收缩率具有一定差别，随着造孔剂比例的增加，热收缩率也会增加。热收缩在温度达到PVDF-HFP熔点时达到最大。30%造孔剂与110%造孔剂复合隔膜最大热收缩率分别为4.7%、10.7%。利用加热台，加热复合隔膜与聚烯烃隔膜，对不同温度下热收缩情况利用相机进行拍摄。

　　发现在120℃时，聚烯烃隔膜具有卷曲情况，在140℃时，PP/PRPP隔膜收缩严重，这主要是因为聚合物熔化让结构发生改变，造成孔封闭，而复合隔膜并无变化情况。在160℃时，复合隔膜会因热闭孔而变得透明，其基本尺寸没有变化出现，没有热收缩与破裂情况出现，而PP/PE/PP隔膜完全熔化。也就是说，复合隔膜可以更好地保证高温下的电池安全性。

　　2.2.4拉伸强度

　　对其拉伸强度进行测试和分析，在复合ePTFE和PVDFHFP之后，隔膜拉伸强度明显提升，这主要是因为电解液不会让ePTFE溶胀，可以让原有强度得到保持，无论造孔剂比例如何，复合隔膜断裂伸长率与拉伸强度都会高于纯PVDFHFP薄膜，造孔剂比例、孔隙率的大小和隔膜机械强度为反比例关系，在造孔剂比例为110%时，其断裂强度为9.63MPa，但此断裂强度依然可以对生产加工强度要求予以满足。

　　2.2.5电化学

　　在电化学上，在半电池上安装UBE商品隔膜与复合隔膜，对其进行测试，观察不同倍率下充放电曲线情况，发现二者放电容量在不同倍率下基本一致，在放电倍率为2C的时候，相比之下，UBE隔膜充电电压平台要高于复合隔膜，在高倍率充放电条件下，与聚烯烃隔膜相比，复合隔膜的极化率更低，可以对电动工具、电动车等大功率放电场合需求予以满足。在循环性能上，在充放电50周之后，复合隔膜放电容量可以达到初始容量98.6%以上，容量损失相对较少，也就是说，利用复合隔膜的锂电池具有更好的循环性能。

　　3结论

　　综上所述，经过实验，可以制备ePTFE与PVDF-HFP的复合隔膜，通过对形貌、孔隙率、吸液率及电导率、热闭孔及热收缩性能、拉伸强度及电化学等方面进行表征分析，可以发现此种复合隔膜可以为锂电池的使用提供帮助，具有重要的应用价值。

　　参考文献

　　[1]杨铃，郑成.锂离子电池隔膜的国内外研究技术进展[J].广东化工，2016，43(13)：133-134.

　　化工方向期刊推荐：《石油化工环境保护》(季刊)曾用刊名：炼油化工环境保护，1978年创刊， 2007.01合并到《石油化工安全环保技术》以马列主义、毛泽东思想、邓小平理论和“三个代表”重要思想为指导，全面贯彻党的教育方针和“双百方针”，理论联系实际，开展教育科学研究和学科基础理论研究，交流科技成果，促进学院教学、科研工作的发展，为教育改革和社会主义现代化建设做出贡献。