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銅箔復(fù)合箔材的阻燃結(jié)構(gòu)設(shè)置也可降低電池燃燒的安全隱患。部分復(fù)合箔材可通過填充阻燃劑形成阻燃層,并在其上使用改性石蠟密封。當(dāng)溫度到達(dá)改性石蠟的軟化點(diǎn)(約80℃)時,石蠟從孔洞中融化,阻燃劑可從孔洞中釋放出來,防止電池因溫度過高而燃燒。
隔膜涂覆有助于降低熱失控概率
隔膜在鋰電池中主要起到安全性保障和提供導(dǎo)通離子的微孔通道作用。
安全性方面,隔膜材料必須具備良好絕緣性,以防止正負(fù)極接觸短路或是被毛刺、顆粒、枝晶刺穿而出現(xiàn)短路,因此隔膜需具有一定拉伸、穿刺強(qiáng)度,不易撕裂,并在突發(fā)高溫條件下保持尺寸穩(wěn)定,不會融縮導(dǎo)致電池大面積短路和熱失控。
導(dǎo)通離子方面,隔膜需具備較高孔隙率而且微孔分布均勻,同時需要對電解液有良好的潤濕性,能夠吸收并保留適量電解液在隔膜孔隙結(jié)構(gòu)中,以實(shí)現(xiàn)鋰離子遷移和正常工作,避免電極極化發(fā)生。
基膜方面目前已商品化的制造隔膜主流材料是聚丙烯微孔膜和聚乙烯微孔膜,發(fā)展中材料如無紡布-陶瓷顆粒復(fù)合膜,研發(fā)中材料如聚酰亞胺(PI)等。動力鋰離子電池?zé)崾Э刈兓^程中,隔膜將經(jīng)歷閉孔和熔斷的兩個階段。隨著溫度的升高,隔膜會先閉孔;當(dāng)溫度繼續(xù)升高時,隔膜發(fā)生熔斷,失去分隔正負(fù)極的功能,導(dǎo)致正負(fù)極接觸,造成內(nèi)部短路。不同隔膜的閉孔和熔斷特性不同,如聚乙烯(PE)隔膜開始熔化的溫度為130~140℃,聚丙烯(PP)隔膜則為160~170℃。從隔膜設(shè)計角度提高電池的安全性,主要有以下思路:
設(shè)計具有熱誘導(dǎo)阻斷特性的隔膜。如熱“智能”電紡絲隔膜,電紡絲纖維由TPP內(nèi)核和熱敏感的偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物(PVDF-HFP)外殼組成,鋰離子電池正常運(yùn)行時,TPP不會對電池的循環(huán)性能造成影響,但當(dāng)電池過熱時,PVDF-HFP外殼融化破碎,釋放出TPP阻燃劑,捕捉燃燒自由基,從而阻止鋰離子電池?zé)崾Э厝紵ā?
與無機(jī)涂層復(fù)合制備高熱穩(wěn)定的復(fù)合隔膜。如使用二氧化硅(SiO2)、二氧化鈦(TiO2)、氧化鋁(Al2O3)等陶瓷納米顆粒對隔膜進(jìn)行表面涂覆,不僅使隔膜的強(qiáng)度、潤濕性得到提高,還改善了耐熱性能,提高了隔膜使用的安全性。
設(shè)計具有阻燃特性的隔膜。以商業(yè)化PP/PE/PP鍍銅 鍍鎳三層結(jié)構(gòu)隔膜為例,中間PE層為保護(hù)層。當(dāng)電池內(nèi)部溫度升高到臨界溫度以上時,多孔PE層部分融化,封閉膜孔,阻止Li+在電解液中的遷移,PP層提供機(jī)械支持,以避免內(nèi)部短路。也可以使用熱響應(yīng)PE或石蠟微球作為電池負(fù)極/隔膜的保護(hù)層,實(shí)現(xiàn)熱誘導(dǎo)阻斷特性。當(dāng)電池內(nèi)部溫度達(dá)到一個臨界值時,微球熔化并在負(fù)極/隔膜上形成阻斷屏障,讓電池終止工作,停止繼續(xù)產(chǎn)熱。
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