陶瓷涂層在充電機充電鋰電池中的應用解決方案
2017-9-1 9:28:09??????點擊：
充電機充電鋰電池具有高電壓、高容量、體積小、重量輕、環保以及長壽數等杰出長處，現已廣泛應用于各種便攜式電子產品及電動汽車范疇。可是充電機充電鋰電池的安全性現在仍存在必定的問題，尤其是其在高溫、過充、短路等條件下的安全性問題，已成為動力型充電機充電鋰電池大規模應用時必須霸占的技能難題。
現在許多鋰電廠商選用了陶瓷粉體涂覆負極極片或選用陶瓷隔閡等與“陶瓷粉體”有關的資料來改進鋰充電機充電鋰電池的安全性。其實，陶瓷粉體并不是“陶瓷”，而是納米化的氧化鋁顆粒。納米氧化鋁是具有重要應用價值和開展前景的特種功用納米資料之一，具有很高的熱安穩性、化學安穩性、耐腐蝕性及高硬度等一系列優秀特性，廣泛用于陶瓷資料、生物醫學資料、半導體資料、催化劑載體、外表防護層資料以及光學資料。正是因為納米氧化鋁這樣好的熱安穩性，被認為是很好的隔熱資料，有望在改進充電機充電鋰電池的安全功能上做出重大貢獻。
現在，納米氧化鋁首要用于涂覆于電極或隔閡上以進步隔閡安全性、下降內短路率最有用辦法。
一、負極陶瓷涂層
現在一般將陶瓷粉體與CMC混合，用去離子水溶解后做成漿料。之后將漿料涂覆于極片上，經枯燥后極片在SEM下的狀況如圖1所示。圖1 中(a)、(b)圖片可顯著看出，陶瓷涂層呈顆粒狀均勻散布于負極外表。陶瓷涂層對鋰充電機充電鋰電池的功能的影響如下：
圖1.兩種未循環負極極片SEM
1.陶瓷涂層對鋰充電機充電鋰電池的容量無顯著影響；
2.添加陶瓷粉體會添加鋰充電機充電鋰電池內阻。這是因為陶瓷涂層首要成分為Al2O3，是不導電的，將陶瓷涂覆于負極資料外表將阻止電子抵達負極的路徑，因而充電機充電鋰電池的體電阻有所添加；
3.陶瓷涂層的充電機充電鋰電池循環功能要優于沒有陶瓷涂層的充電機充電鋰電池。此外，在負極外表進行涂覆陶瓷粉體，經過添加負極外表的鈍化作用，增強電子絕緣的方式，能夠有用抑制充電機充電鋰電池高溫存儲條件下的電功能惡化將循環后充電機充電鋰電池極片進行SEM分析如圖2所示。
圖2.兩種循環后負極極片SEM
從圖中能夠看出，非陶瓷涂層的負極極片外表覆蓋一層細小的顆粒物，估測是充放電進程中鋰堆積而構成的化合物，而陶瓷涂層的負極片外表則較為潤滑，陶瓷較為均勻地散布于極片外表。由此能夠估測該充電機充電鋰電池的循環功能與陶瓷涂層有關，充電機充電鋰電池在循環進程中會導致負極SEI 膜的添加然后變厚，而過厚的SEI 膜不但耗費更多鋰離子，也使得充電進程中鋰離子不能很好地嵌入到負極內，而在負極外表乃至是隔閡外表分出，然后形成循環進程中容量的丟失。在負極外表涂上一層陶瓷隔閡，或許能夠有用阻撓負極SEI 膜的添加，然后減小鋰離子在循環進程中的丟失。別的，電解液在充電機充電鋰電池循環進程中也會不斷分化，而陶瓷涂層具有必定的吸液才能，然后能夠進步電解液長時間充放電循環時的容量堅持率。因而，陶瓷涂層能夠進步三元充電機充電鋰電池的循環功能。
4.陶瓷涂層充電機充電鋰電池安全性要高于非陶瓷涂層的充電機充電鋰電池。將兩種不同充電機充電鋰電池在相同的試驗條件下進行針刺試驗，成果如圖3所示。
圖3. 兩種充電機充電鋰電池針刺成果
由圖3能夠看出，陶瓷涂層的充電機充電鋰電池針刺峰值溫度為123.1 ℃，測驗后充電機充電鋰電池稍微鼓脹，并未出現冒煙和爆破現象；而非陶瓷涂層的充電機充電鋰電池針刺峰值溫度為410 ℃，測驗進程中充電機充電鋰電池爆破并冒煙，將頂蓋突破，未能經過測驗。出現上述現象的原因可能與負極外表陶瓷涂層有關，因為針刺是模仿充電機充電鋰電池內短路，會在短時間內發作很多的熱，而在負極外表涂覆陶瓷涂層能夠推遲針刺進程中熱量的急劇增大，然后推遲電解液的受熱分化，防止短時間內發作很多氣體而使充電機充電鋰電池爆破。因而，陶瓷涂層對充電機充電鋰電池的安全功能有顯著的進步。
二、陶瓷隔閡
現在，研究者首要從正負極資料、隔閡、電解液及充電機充電鋰電池設計等方面來改進充電機充電鋰電池功能，其間陶瓷隔閡是一種有用進步充電機充電鋰電池功能的途徑，陶瓷隔閡不只能夠進步充電機充電鋰電池的安全功能，也可進步充電機充電鋰電池的循環功能，下降自放電率。關于陶瓷隔閡的制作方法則多種多樣，有化學氣相堆積法、外表涂覆法等。陶瓷隔閡能夠進步充電機充電鋰電池的循環及安全功能，但其制備進程較難操控，別的隔閡上的陶瓷在循環進程中也容易發作掉落。
1.形狀差異
市面上常見的隔閡是PP、PE、或許兩種復合加工制成。盡管這些微孔聚烯烴隔閡具有優異的機械強度及化學安穩性，可是這些隔閡因為制備進程中存在內應力，在高溫環境下應力開釋，隔閡會發作顯著的熱縮短效應然后使得充電機充電鋰電池內部正負極資料直觸摸摸導致內短路發作，發作安全毛病。將納米氧化鋁顆粒涂覆于隔閡表層則能高效的進步鋰充電機充電鋰電池的安全性。將陶瓷粉體與PVDF、NMP溶解混合、渙散均勻后，敞開涂布機將PE隔閡上進行陶瓷粉體涂布，陶瓷涂層厚度能夠操控，之后在80℃下枯燥24h即制得陶瓷隔閡。陶瓷隔閡微觀描摹如圖4所示。
PE與陶瓷隔閡微觀描摹
從圖中能夠看出，涂覆的納米A2O3顆粒完全覆蓋在PE隔閡的外表，且顆粒之間存在著不均一的較大空泛散布，這些較大空地的存在能有利于Li+ 的嵌入與脫出且對電解液具有很好的吸液性及保液功能，然后不影響涂覆涂層后的隔閡對鋰充電機充電鋰電池的充放電功能。
2.熱縮短程度
陶瓷涂層有利于進步隔閡的耐高溫性質，將陶瓷隔閡和一般隔閡放于不同溫度的箱子中2h，兩種隔閡在縮短率上有很大的差異。試驗成果如圖5所示。
不同溫度下兩種隔閡縮短程度
隔閡在高溫下會縮短是因為隔閡在制備進程中因為牽引拉伸使得隔閡存在內應力，在高溫環境下因為隔閡內部分子鏈的運動導致應力開釋然后發作大面積縮短；可是陶瓷涂層隔閡在140℃烘烤條件下除隔閡色彩發作變化以外其自身的形狀未發作改變，當在隔閡外表兩邊涂覆的無機涂層具有耐高溫隔熱功能，然后下降基體隔閡自身的溫度，使得隔閡在高溫環境下仍堅持原有形狀。
3.陶瓷隔閡有利于進步充電機充電鋰電池安全性
圖6.兩種隔閡拼裝的充電機充電鋰電池內阻與溫度聯系
PE隔閡在溫度高于其熔點溫度下會發作大面積縮短，然后使得充電機充電鋰電池內部正負極極片直觸摸摸導致內部短路因而所測充電機充電鋰電池內阻敏捷下降；但是關于涂覆涂層的隔閡即便在150℃下烘烤其隔閡自身形狀不會發作變化，因而充電機充電鋰電池內部不會出現短路狀況然后使得充電機充電鋰電池內阻仍在添加。PE隔閡在高溫環境下會損失機械安穩功能，然后導致充電機充電鋰電池內部發作正負極直觸摸摸導致短路，而陶瓷涂層隔閡因為具有耐高溫功能然后有用防止充電機充電鋰電池內部發作短路，進步充電機充電鋰電池的安全功能。
4.陶瓷隔閡對充電機充電鋰電池壽數的影響
充電機充電鋰電池隔閡不只隔離充電機充電鋰電池內部正負極極片，并且需具有良好的離子通透才能，因為對隔閡進行涂覆無機涂層后會添加隔閡的厚度，然后有可能影響到離子的傳導功能，但試驗證明（圖7）其影響較弱，反而是涂有陶瓷涂層的隔閡循環功能更好。
圖7.兩種隔閡充電機充電鋰電池循環功能比較
PP/PE隔閡都對錯極性的，外表疏水且外表能較低，對極性的碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯等有機電解液較難潮濕和堅持，這直接影響了充電機充電鋰電池的循環功能和使用壽數，而無機陶瓷外表因為羥基的存在，外表親水，它的引進能夠極大地進步隔閡或電極對電解液的潮濕和堅持才能，大大進步充電機充電鋰電池的循環功能。一起，納米氧化鋁顆粒具有較大比外表積，能夠進步電解液對極片的潮濕性和保液性，也有利于充電機充電鋰電池的循環壽數。
總結：
綜上，陶瓷涂層關于充電機充電鋰電池功能有重要的影響，尤其是對鋰充電機充電鋰電池安全功能具有重要的含義。電極和隔閡外表的陶瓷化，不只能顯著地下降充電機充電鋰電池的內短路率、進步安全性，還能改進極片和隔閡的電解液浸潤性，下降極化，進步充電機充電鋰電池的循環等綜合功能。因而，陶瓷涂層的應用是往后充電機充電鋰電池開展的必然趨勢。
現在許多鋰電廠商選用了陶瓷粉體涂覆負極極片或選用陶瓷隔閡等與“陶瓷粉體”有關的資料來改進鋰充電機充電鋰電池的安全性。其實，陶瓷粉體并不是“陶瓷”，而是納米化的氧化鋁顆粒。納米氧化鋁是具有重要應用價值和開展前景的特種功用納米資料之一，具有很高的熱安穩性、化學安穩性、耐腐蝕性及高硬度等一系列優秀特性，廣泛用于陶瓷資料、生物醫學資料、半導體資料、催化劑載體、外表防護層資料以及光學資料。正是因為納米氧化鋁這樣好的熱安穩性，被認為是很好的隔熱資料，有望在改進充電機充電鋰電池的安全功能上做出重大貢獻。
現在，納米氧化鋁首要用于涂覆于電極或隔閡上以進步隔閡安全性、下降內短路率最有用辦法。
一、負極陶瓷涂層
現在一般將陶瓷粉體與CMC混合，用去離子水溶解后做成漿料。之后將漿料涂覆于極片上，經枯燥后極片在SEM下的狀況如圖1所示。圖1 中(a)、(b)圖片可顯著看出，陶瓷涂層呈顆粒狀均勻散布于負極外表。陶瓷涂層對鋰充電機充電鋰電池的功能的影響如下：
圖1.兩種未循環負極極片SEM
1.陶瓷涂層對鋰充電機充電鋰電池的容量無顯著影響；
2.添加陶瓷粉體會添加鋰充電機充電鋰電池內阻。這是因為陶瓷涂層首要成分為Al2O3，是不導電的，將陶瓷涂覆于負極資料外表將阻止電子抵達負極的路徑，因而充電機充電鋰電池的體電阻有所添加；
3.陶瓷涂層的充電機充電鋰電池循環功能要優于沒有陶瓷涂層的充電機充電鋰電池。此外，在負極外表進行涂覆陶瓷粉體，經過添加負極外表的鈍化作用，增強電子絕緣的方式，能夠有用抑制充電機充電鋰電池高溫存儲條件下的電功能惡化將循環后充電機充電鋰電池極片進行SEM分析如圖2所示。
圖2.兩種循環后負極極片SEM
從圖中能夠看出，非陶瓷涂層的負極極片外表覆蓋一層細小的顆粒物，估測是充放電進程中鋰堆積而構成的化合物，而陶瓷涂層的負極片外表則較為潤滑，陶瓷較為均勻地散布于極片外表。由此能夠估測該充電機充電鋰電池的循環功能與陶瓷涂層有關，充電機充電鋰電池在循環進程中會導致負極SEI 膜的添加然后變厚，而過厚的SEI 膜不但耗費更多鋰離子，也使得充電進程中鋰離子不能很好地嵌入到負極內，而在負極外表乃至是隔閡外表分出，然后形成循環進程中容量的丟失。在負極外表涂上一層陶瓷隔閡，或許能夠有用阻撓負極SEI 膜的添加，然后減小鋰離子在循環進程中的丟失。別的，電解液在充電機充電鋰電池循環進程中也會不斷分化，而陶瓷涂層具有必定的吸液才能，然后能夠進步電解液長時間充放電循環時的容量堅持率。因而，陶瓷涂層能夠進步三元充電機充電鋰電池的循環功能。
4.陶瓷涂層充電機充電鋰電池安全性要高于非陶瓷涂層的充電機充電鋰電池。將兩種不同充電機充電鋰電池在相同的試驗條件下進行針刺試驗，成果如圖3所示。
圖3. 兩種充電機充電鋰電池針刺成果
由圖3能夠看出，陶瓷涂層的充電機充電鋰電池針刺峰值溫度為123.1 ℃，測驗后充電機充電鋰電池稍微鼓脹，并未出現冒煙和爆破現象；而非陶瓷涂層的充電機充電鋰電池針刺峰值溫度為410 ℃，測驗進程中充電機充電鋰電池爆破并冒煙，將頂蓋突破，未能經過測驗。出現上述現象的原因可能與負極外表陶瓷涂層有關，因為針刺是模仿充電機充電鋰電池內短路，會在短時間內發作很多的熱，而在負極外表涂覆陶瓷涂層能夠推遲針刺進程中熱量的急劇增大，然后推遲電解液的受熱分化，防止短時間內發作很多氣體而使充電機充電鋰電池爆破。因而，陶瓷涂層對充電機充電鋰電池的安全功能有顯著的進步。
二、陶瓷隔閡
現在，研究者首要從正負極資料、隔閡、電解液及充電機充電鋰電池設計等方面來改進充電機充電鋰電池功能，其間陶瓷隔閡是一種有用進步充電機充電鋰電池功能的途徑，陶瓷隔閡不只能夠進步充電機充電鋰電池的安全功能，也可進步充電機充電鋰電池的循環功能，下降自放電率。關于陶瓷隔閡的制作方法則多種多樣，有化學氣相堆積法、外表涂覆法等。陶瓷隔閡能夠進步充電機充電鋰電池的循環及安全功能，但其制備進程較難操控，別的隔閡上的陶瓷在循環進程中也容易發作掉落。
1.形狀差異
市面上常見的隔閡是PP、PE、或許兩種復合加工制成。盡管這些微孔聚烯烴隔閡具有優異的機械強度及化學安穩性，可是這些隔閡因為制備進程中存在內應力，在高溫環境下應力開釋，隔閡會發作顯著的熱縮短效應然后使得充電機充電鋰電池內部正負極資料直觸摸摸導致內短路發作，發作安全毛病。將納米氧化鋁顆粒涂覆于隔閡表層則能高效的進步鋰充電機充電鋰電池的安全性。將陶瓷粉體與PVDF、NMP溶解混合、渙散均勻后，敞開涂布機將PE隔閡上進行陶瓷粉體涂布，陶瓷涂層厚度能夠操控，之后在80℃下枯燥24h即制得陶瓷隔閡。陶瓷隔閡微觀描摹如圖4所示。
PE與陶瓷隔閡微觀描摹
從圖中能夠看出，涂覆的納米A2O3顆粒完全覆蓋在PE隔閡的外表，且顆粒之間存在著不均一的較大空泛散布，這些較大空地的存在能有利于Li+ 的嵌入與脫出且對電解液具有很好的吸液性及保液功能，然后不影響涂覆涂層后的隔閡對鋰充電機充電鋰電池的充放電功能。
2.熱縮短程度
陶瓷涂層有利于進步隔閡的耐高溫性質，將陶瓷隔閡和一般隔閡放于不同溫度的箱子中2h，兩種隔閡在縮短率上有很大的差異。試驗成果如圖5所示。
不同溫度下兩種隔閡縮短程度
隔閡在高溫下會縮短是因為隔閡在制備進程中因為牽引拉伸使得隔閡存在內應力，在高溫環境下因為隔閡內部分子鏈的運動導致應力開釋然后發作大面積縮短；可是陶瓷涂層隔閡在140℃烘烤條件下除隔閡色彩發作變化以外其自身的形狀未發作改變，當在隔閡外表兩邊涂覆的無機涂層具有耐高溫隔熱功能，然后下降基體隔閡自身的溫度，使得隔閡在高溫環境下仍堅持原有形狀。
3.陶瓷隔閡有利于進步充電機充電鋰電池安全性
圖6.兩種隔閡拼裝的充電機充電鋰電池內阻與溫度聯系
PE隔閡在溫度高于其熔點溫度下會發作大面積縮短，然后使得充電機充電鋰電池內部正負極極片直觸摸摸導致內部短路因而所測充電機充電鋰電池內阻敏捷下降；但是關于涂覆涂層的隔閡即便在150℃下烘烤其隔閡自身形狀不會發作變化，因而充電機充電鋰電池內部不會出現短路狀況然后使得充電機充電鋰電池內阻仍在添加。PE隔閡在高溫環境下會損失機械安穩功能，然后導致充電機充電鋰電池內部發作正負極直觸摸摸導致短路，而陶瓷涂層隔閡因為具有耐高溫功能然后有用防止充電機充電鋰電池內部發作短路，進步充電機充電鋰電池的安全功能。
4.陶瓷隔閡對充電機充電鋰電池壽數的影響
充電機充電鋰電池隔閡不只隔離充電機充電鋰電池內部正負極極片，并且需具有良好的離子通透才能，因為對隔閡進行涂覆無機涂層后會添加隔閡的厚度，然后有可能影響到離子的傳導功能，但試驗證明（圖7）其影響較弱，反而是涂有陶瓷涂層的隔閡循環功能更好。
圖7.兩種隔閡充電機充電鋰電池循環功能比較
PP/PE隔閡都對錯極性的，外表疏水且外表能較低，對極性的碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯等有機電解液較難潮濕和堅持，這直接影響了充電機充電鋰電池的循環功能和使用壽數，而無機陶瓷外表因為羥基的存在，外表親水，它的引進能夠極大地進步隔閡或電極對電解液的潮濕和堅持才能，大大進步充電機充電鋰電池的循環功能。一起，納米氧化鋁顆粒具有較大比外表積，能夠進步電解液對極片的潮濕性和保液性，也有利于充電機充電鋰電池的循環壽數。
總結：
綜上，陶瓷涂層關于充電機充電鋰電池功能有重要的影響，尤其是對鋰充電機充電鋰電池安全功能具有重要的含義。電極和隔閡外表的陶瓷化，不只能顯著地下降充電機充電鋰電池的內短路率、進步安全性，還能改進極片和隔閡的電解液浸潤性，下降極化，進步充電機充電鋰電池的循環等綜合功能。因而，陶瓷涂層的應用是往后充電機充電鋰電池開展的必然趨勢。
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