电池快充之:电解液、粘结剂及隔膜!

锂电数码书 2024-07-14 15:54:49

一、电解液:快充体系下新型鲤盐LiFSI用量有望提升

新型鲤盐LiFSI增加导电性适配快充体系,用量有望提升。快充条件下,对电解液的离子电导率以及热稳定性有了更高的要求。在以碳酸乙烯醋/碳酸甲乙醋(EC/EMC) 的常规电解液中,含LiESI的电解液县有比含其他锂盐 (LiFSI>LiPF6>LITFSI>LiCIO4 LiBF4) 电解液更高的电导率,且其含氟量较低,更为环保。因此,LiFSI被视作最有潜力替代LiPF6的锂盐特别是在快充电池领域。

二、粘结剂:硅基负极带动PAA粘结剂渗透率提升

硅基负极易膨胀的特性使得新型粘结剂PAA迎来发展机遇。锂电池粘结剂是锂离子电池电极片中的重要组成材料之一,其主要作用是连接电极活性物质、导电剂和电极集流体,使电极活性物质、导电剂和集流体间具有整体的连接性,从而减小电极的阻抗,是锂离子电池材料中技术含量较高的附加材料。

锂电池粘结剂品类有多种,分为油性和水性,油性典型如PVDF水性如CMC+SBR、PAA。目前PVDF应用范围最广,2020年PVDF在国内占比54%,其他粘结剂占比46%。但PVDF是一种油性粘结剂,其溶剂对环境有害,且PVDF中含有氟,容易与嵌锂石墨等发生反应: CMC+SBR黏附力有限: 硅基负极易膨胀的特性使得新型粘结剂PAA迎来发展机遇:1) PAA黏附力强: 侧链因含有较多基官能团可以与活性材料表现的轻基产生氢键,将负极活性物质与集流体连结: 2) PAA通过与硅形成类似SEI膜的包覆层能够提高硅基负极循环性能。

粘结剂国产化替代加速进行。2021年美国、日本以及欧洲企业占据超过90%的市场份额,主要厂商包括美国雅诗兰、荷兰诺力昂、德国巴斯夫、日本瑞翁株式会社、A&L 株式会社、JSR株式会社及大赛璐等;国内粘结剂企业起步较晚,但近年来技术积累带来产品性能不断优化,同时配套原材料和设备不断提升,逐步实现国产替代,国内主要企业包括菌地乐、深圳研一、晶瑞电材、松柏化工、金邦电源和重庆力宏等。此外,PAA方面,国内技术迭代较快,主要企业有茵地乐(璞泰来控股)深圳研一、蓝海黑石、回天新材等。

三、隔膜:快充对性能的要求推动有机涂覆需求提升

隔膜涂覆技术全面提升隔膜性能,有效提高电池安全性。由于隔膜主要原材料聚乙烯和聚丙烯的热变形温度比较低,温度过高时隔膜会发生严重的热收缩,导致电池的正负电极接触而出现短路,因此新能源汽车电池在高振动高温的恶劣环境中存在引起电池燃烧或者爆炸的危险为了提高隔膜的热稳定性,全面提升综合性能,涂覆技术逐渐被应用于锂电池的生产。

隔膜涂覆技术通过在隔膜表面上涂布涂覆材料,不仅大幅提高隔膜的热稳定性,同时提高拉伸强度和透气速率,从而提高电池的安全性,是保障新能源汽车安全的有效措施。目前涂层材料主要分为以下几种:1)无机材料: 如Al2O3、勃姆石等:提高耐高温性,良好的吸液及保液能力。降低热收缩率,有效提升循环性能及安全性能。例如勃姆石涂覆在聚乙烯基膜上的热稳定性测试,当温度加热到170度,隔膜已发生明显形变,涂覆膜几乎无收缩。2) 有机材料: 如 PVDF、PET、纤维素、芳纶等:高粘结性具有且优异的吸液及保液能力,降低内阻,提高电化学性能。从聚乙烯基膜涂覆PVDF前后对比看出,聚乙烯基膜呈现湿法隔膜典型的树枝状微孔结构,表面涂覆PVDF有机粒子后,聚乙烯基膜上附着了一层PVDF涂覆层,形成大量微孔,提高电解液保持率。

快充对性能的要求推动有机涂覆需求提升。隔膜性能的好坏影响鲤离子扩散速度、电解液的保持性、体系内阻和电池界面结构的组成,从而影响电池的容量、寿命、倍率性能等。在快充体系下,对有机涂覆材料和无机涂覆材料进行对比,有机材料在孔径大小、电解液浸润性、稳定性等方面均明显优于无机材料。

其中,聚烯烃隔膜具有良好的机械强度和电化学稳定性、均匀的孔结构以及适宜的热闭孔性能。但是由于材料本身疏液特性和低的表面能导致电解液浸润性差,同时温度过高会严重收缩。聚烯烃隔膜孔径大小为100nmX400nm;PET和纤维素隔膜是由直径为0.2-2um的纤维交织堆叠而成;芳纶隔膜是由直径为2-4um 的纤维交织堆叠而成,孔径大,可为离子的快速迁移提供通道。此外,芳纶是极性材质,耐温性能优异,破膜温度较高,提升了电池的安全性能,与电解液有良好的浸润性,有利于电解液的吸收,因此容量衰减也较慢,高电解液浸润性和吸液率的隔膜应用于锂离子电池能提高电池的倍率性能和循环性能。

文章来源:电池技术TOP+

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