探討具有二維納米流體通道高倍率性能的鋰離子電池材料
來源：寶鄂實業(yè)
2019-04-03 09:32
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近年來，鋰離子電池由于具有能量密度高、循環(huán)壽命長且對環(huán)境友好等特點，逐漸成為便攜式電子設(shè)備的主流電源，并且被認為是可以應(yīng)用于電動汽車以及混合電動汽車驅(qū)動裝置中最有前景的電源。此外，鋰離子電池可以將太陽能、風(fēng)能等綠色能源儲存與轉(zhuǎn)換，以緩解上述綠色能源的間斷性與不穩(wěn)定性，實現(xiàn)能量的供需平衡。目前，諸多領(lǐng)域?qū)τ阡囯x子電池的需求量日益增大，對能量密度和快速充放電的能力提出了更高的要求。然而，傳統(tǒng)電極材料的容量以及快速充放電的能力已經(jīng)達到瓶頸。因此，研發(fā)高倍率性能的電極材料以滿足有效且快速的能量存儲與輸出迫在眉睫。
針對這些問題，德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的余桂華教授課題組與哈爾濱工業(yè)大學(xué)的陳剛教授合作提出將二維納米流體（2D Nanofluidic）結(jié)構(gòu)引入氧化鈷負極材料來提高材料的倍率性能。該團隊通過簡單的溶膠凝膠法制備了陰離子基團表面修飾的納米片，這些修飾的基團促使納米片組裝成能夠自支撐的層層堆疊結(jié)構(gòu)。納米片層的間距稍小于鋰離子德拜長度的二倍，可以為鋰離子的傳輸提供二維流體通道。通道內(nèi)壁的負電基團會選擇性吸引鋰離子、排斥負電離子，加速鋰離子的傳輸。通過電化學(xué)測試發(fā)現(xiàn)，流體通道納米片的離子電導(dǎo)率比塊體材料增大幾個數(shù)量級，電池的倍率性能得到大幅度的提高。（1）固態(tài)化
為了防止鋰離子電池電解液發(fā)生漏液、燃燒、爆炸等安全性問題，電解質(zhì)材料正在向固態(tài)化發(fā)展，主要研究的方向有無機固體電解質(zhì)、固態(tài)聚合物電解質(zhì)、固-液復(fù)合電解質(zhì)。
（2）新型溶劑體系
腈類、砜類溶劑與石墨負極的相容性不如常用的碳酸酯類溶劑，目前研究的主要方向是降低新型溶劑體系的成本、提高與現(xiàn)有負極材料的相容性。
（3）高電壓電解液
高電壓電解液的主要研究方向是同步提高正極材料與電解液的電壓水平。
四、鋰離子電池隔膜材料
隔膜成本約占電池成本的20%，是電池材料的重要組成部分，主要作用是將電池的正、負極隔離，保證電池安全、實現(xiàn)充放電功能，主要要求是絕緣性要好。隔膜作為高分子功能材料，發(fā)展前景廣闊、附加值高、成本低、效益前景可觀。國內(nèi)隔膜生產(chǎn)企業(yè)主要有星源電子科技(深圳)有限公司、北京泰和中科科技有限公司、佛山市金輝高科光電材料有限公司、重慶明珠塑料有限公司、河南義騰新能源科技有限公司、南通天豐電子新材料有限公司。
1.主要的隔膜材料
為了便于氣體擴散，應(yīng)選擇透氣性好且薄的鋰離子動力電池隔膜材料，一般為聚烯烴類微孔薄膜材料，包括聚乙烯單層膜、聚丙烯單層膜及2種材質(zhì)的雙層或3層復(fù)合膜，薄膜厚度約為10～20μm。隔膜的研究方向主要集中在提高強度、穩(wěn)定性和孔隙率等方面。
2.隔膜材料的研發(fā)
目前低端隔膜市場產(chǎn)能過剩，但高端隔膜市場與國外產(chǎn)品質(zhì)量仍有一定差距，存在質(zhì)量均勻性和穩(wěn)定性問題，市場供不應(yīng)求，嚴重依賴日本、美國等少數(shù)幾個國家的進口。
3.隔膜材料的發(fā)展趨勢
（1）表面改性處理
通過涂覆無機陶瓷涂層或有機涂層對隔膜材料表面改性、增強等技術(shù)手段提高隔膜物性指標，如穿刺強度、拉伸強度、熱收縮率、耐高溫、耐高壓等。
（2）隔膜材料薄型化
要提高鋰離子電池的容量就必須將隔膜向輕薄化方向發(fā)展，掌握薄型隔膜生產(chǎn)技術(shù)將在未來的競爭中處于有利位置，但這同時對隔膜材料的生產(chǎn)制備、工藝水平提出了更高的要求，需要不斷進行研發(fā)與突破。
