2024-06-28
 
锂电池涂覆,选无机涂覆材料就对了!
2024年06月28日   阅读量:671

锂电池涂覆是一种在锂电池电芯隔膜或极片进行涂覆的工艺方式, 可以提高锂电池电芯隔膜的耐热性和抗刺穿能力,提高锂电池的安全性能。工业应用的锂离子电池隔膜主要是聚烯烃类,由于其耐热性一般,聚烯烃微孔隔膜在 100℃附近会产生收缩,降低电池性能;当升温至 130~150℃时,达到聚烯烃材料的软化点,使得聚烯烃膜闭孔,阻断了锂离子的传输路径,从而导致充放电反应停止,电池失效。由于聚烯烃薄膜的熔融毁坏温度与闭孔温度温差较小(如 PE 的闭孔温度约为 130℃, 熔融毁坏温度在 140℃左右), 闭孔后产生的余热仍然会使隔膜温度持续上升, 从而有可能使隔膜熔毁, 发生事故涂料在线coatingol.com

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隔膜是锂离子电池的四大主要部件之一,在锂离子电池中起到隔离正负极、防止正负极接触短路和给锂离子提供通道允许锂离子通过的作用。目前为了更好的匹配动力电池的安全和性能要求,涂层隔膜运用于动力电池中已逐渐成为主流。

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现有聚烯烃电池隔膜主要采用表面涂覆无机材料、 耐热高分子材料或两者配合物的方法进行表面改性, 使隔膜在达到聚烯烃软化温度后仍保持原有形状, 防止短路现象发生, 提升电池安全性。

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无机涂覆隔膜为主流涂覆材料,占涂覆材料比重超 90%。根据高工产业研究院(GGII) 数据显示, 锂电池隔膜分为涂覆与不涂覆两种, 锂电池隔膜涂覆占比 45%左右。由于经涂覆的隔膜耐热性能提高, 热收缩率降低, 因此隔膜涂覆的比例越来越高。目前市面上锂电池涂覆的技术路线有无机材料涂覆,有机材料涂覆和有机、无机材料涂覆结合的方式。根据研究机构 EVTank 数据统计,2019 年中国锂电池涂覆材料出货量为 1.55 万吨,其中无机涂覆材料出货 1.4 万吨,占比达 90.32%,有机涂覆材料、 有机和无机结合的涂覆材料占比不到 10%。无机涂覆材料可以提高隔膜绝缘性,降低锂电池的短路率、提高良品率及安全性,且下游客户已形成产业化应用, 在各类涂覆材料中占据主导地位。


勃姆石


勃姆石(Boehmite)又称软水铝石,分子式是γ-AlOOH(水合氧化铝),它和主要成分为α-AlO(OH) 的水铝石均是铝土矿的主要组成成分。勃姆石是一种重要的化工原料,具有独特的晶体结构,勃姆石(AlOOH)在焙烧中能够保持原有的介观形貌,因此可作为制备不同形貌纳米氧化铝的前驱体。除此之外,AlOOH还可用作陶瓷材料、催化剂及载体材料、锂电池隔膜涂层以及光学材料等。


作为锂电池涂覆材料,勃姆石主要用于锂电池电芯隔膜和极片的涂覆。涂覆在锂电池电芯隔膜上能够提高隔膜的耐热性,增强隔膜的抗刺穿性,提高锂电池的安全性能;涂覆在锂电池的极片中,可避免正极材料极片分切过程中产生的毛刺刺穿隔膜,提高锂电池的安全性能,改良电池生产工艺,提高能量密度。此外,受益于磁性异物含量低、吸水率低、比重低、莫氏硬度低的特点,勃姆石还能有助于改善电池的倍率性能和循环性能,提升电芯的良品率,并减少电池在使用过程中的自放电,是提升锂电池安全可靠性的重要材料。

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勃姆石制造工艺复杂, 粒径分布、 磁性异物含量和含水量为衡量其性能的核心指标, 电勃姆石制备工序包括:原料制浆、 浆料处理、 晶型转化、 后处理、 干燥、 气流打散、包装等环节;需要用到的核心技术包括:勃姆石生产技术、 晶体生长控制技术、 无污染气流磨粉碎技术和磁性异物的检测技术等。


氧化铝


氧化铝在自然界中含量丰富,具有优异的化学惰性、热稳定性和机械性能。作为锂电池隔膜陶瓷涂层其具有如下优势:

1)氧化铝涂层具有耐高温性,在180℃可以保持隔膜完整形态;

2)氧化铝涂层可以中和电解液中游离的HF,提升电池的耐酸性和安全性能;

3)纳米氧化铝在锂电池中可形成固溶体,提高倍率性和循环性能;

4)纳米氧化铝粉末具有良好的润湿性,有一定的吸液及保液能力;

5)氧化铝涂层可以增加微孔曲折度,自放电低于普通隔膜。


勃姆石在无机涂覆材料中的使用渗透率有望持续提升


相比于高纯氧化铝,AlOOH作为锂电池隔膜陶瓷涂层具有如下优势:

1)硬度低,在切割和涂覆过程中,对机械的磨损小,能够降低设备磨损和异物带入的风险;

2)耐热温度高,与有机物相容性好;

3)密度小,相同质量的AlOOH比高纯Al2O3多涂覆25%的面积;

4)涂覆平整度高、内阻小;

5)能耗低,生产过程对环境更加友好;

6)制备过程更为简单,生产成本低。

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“动力电池”主要有四大材料:正极材料、负极材料、隔膜、电解液和其他部件组成。正极材料、负极材料和电解液直接参与电池“电化学反应”过程。电池“电化学反应”过程主要分为充电和放电两个过程:在充电过程中,正极上的电子会跑到负极上。这是,正锂离子Li+进入电解液里,“爬过”隔膜上弯弯曲曲的小洞,与负极材料上的电子结合;在放电过程中,负极上的电子跑回正极上,正锂离子Li+”原路反回“,与电子结合。

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近年来,AlOOH开始逐渐取代氧化铝成为新型的锂电池隔膜商用改性粉体。勃姆石在无机涂覆材料应用中的占比逐渐提升。据统计,2019年勃姆石占无机涂覆膜用量的比例为44%,较2016年增长30%,预计2025年勃姆石占无机涂覆膜用量的比例为75%。正极极片边缘涂覆进入批量导入阶段。正极片的尺寸往往小于负极片, 极片边缘分切过程中产生的毛刺一旦刺穿隔膜,会引起电池短路。涂覆在锂电池的极片中,可避免正极材料极片的毛刺刺穿隔膜,提高锂电池的安全性能,改良电池生产工艺, 提高能量密度。 宁德时代已经率先将勃姆石用于正极涂覆, 比亚迪的刀片电池也开始采用勃姆石进行正极涂覆, 在正极涂覆材料领域勃姆石的使用比例近 100%。据 GGII 统计, 2021 年正极边涂用勃姆石为 0.7 万吨, 2022 年前三季度, 壹石通销售的正极边涂用勃姆石大 0.8 万吨。正极涂覆在下游龙头企业的带领下渗透率有望进一步提升。


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