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仝志明:超耐溫芳綸隔膜如何解決高能量密度電池的安全問(wèn)題

鉅大鋰電  |  點(diǎn)擊量:0  |  2021年12月06日  

謝謝主辦方的邀請(qǐng),很高興來(lái)到這里,今天借機(jī)會(huì)介紹一個(gè)微觀的話題,是一個(gè)有關(guān)技術(shù)方面的和電池安全相關(guān)的,是超耐溫的芳綸隔膜如何解決高能量密度電池的安全問(wèn)題。


動(dòng)力鋰離子電池安全一直在這個(gè)行業(yè)中受到非常高的關(guān)注。前面幾位嘉賓都講到,隨著未來(lái)的方向大家希望汽車(chē)跑的越來(lái)越遠(yuǎn),意味著電池的能量密度要越做越高,國(guó)家科技部提出了一系列目標(biāo),比如說(shuō)250Wh/kg,或者是300-350Wh/kg。隨著電池能量密度的提高,目前所用鋰離子電池的材料體系穩(wěn)定性變的越來(lái)越差,安全就會(huì)變的越來(lái)越嚴(yán)峻。因?yàn)樵谄?chē)工業(yè)上安全問(wèn)題是一個(gè)頭等大事,汽車(chē)涉及到一個(gè)召回的問(wèn)題,我們?cè)谶@方面投入了很多的精力,希望可以解決高能量密度電池的安全性問(wèn)題。


來(lái)自歐洲大的某汽車(chē)公司,向電池供應(yīng)商提出了一系列要求,比如說(shuō)電池性能、電池安全性指標(biāo)有很多非常詳細(xì)的要求,這里列出了三項(xiàng),大家覺(jué)得過(guò)去很困難:第一,針刺,有一個(gè)具體的參數(shù)指標(biāo),這個(gè)指標(biāo)能夠讓密度到250Wh/kg;第二,熱箱,要在80度下老化16小時(shí),升到120度放七個(gè)小時(shí),再升到150度2個(gè)小時(shí);第三,過(guò)充,有一系列要求。這些要求給研發(fā)人員帶來(lái)非常大的困擾,大家琢磨了很多方法,既要滿足電池的性能,同時(shí)又要滿足安全性的指標(biāo),這是非常有挑戰(zhàn)性的。


科學(xué)家們研究了很多為何的問(wèn)題,比如說(shuō)研究加熱箱的時(shí)候研究了很多,但是解決這些問(wèn)題確實(shí)很困難。實(shí)際上有一個(gè)大家都想到的方式就是所有的失控很多時(shí)候發(fā)生在正負(fù)極短路迅速出現(xiàn)高溫,進(jìn)而引發(fā)一系列化學(xué)反應(yīng),顯而易見(jiàn)的解決方法就是把隔膜做的很耐溫。隔膜在四大材料中市場(chǎng)顯示毛利率是最高的,大概50%,最近有很多投資人,包括很多公司都在積極地?cái)U(kuò)展,或者投資到這個(gè)行業(yè)中?,F(xiàn)在隔膜最常見(jiàn)的干法、濕法都是以聚乙烯材料為基礎(chǔ)的,除了這些還有耐高溫的隔膜在各個(gè)公司、實(shí)驗(yàn)室中開(kāi)發(fā),我列出其中幾項(xiàng):第一,在聚乙烯隔膜上涂陶瓷;第二,日本也有這樣的產(chǎn)品,在聚乙烯涂一個(gè)耐溫材料,比如說(shuō)芳綸;第三,一些耐溫比較好的其他材料涂陶瓷;第四,就是微宏花了很多年的心血開(kāi)發(fā)的芳綸,就是以芳綸為基材做的隔膜。我們看到這些數(shù)據(jù)可以反過(guò)來(lái)想到剛才提到的針刺、熱箱、過(guò)充測(cè)試的時(shí)候隔膜能夠起到什么用途。假如隔膜150度伸縮10%,假如150度兩小時(shí),隔膜收縮會(huì)使原來(lái)作為絕緣屏障隔膜尺寸縮小到基片之內(nèi),導(dǎo)致正負(fù)極基片接觸,這樣高能量密度電池安全測(cè)試很難通過(guò),假如隔膜耐溫越高,無(wú)論針刺還是熱箱、過(guò)充測(cè)試上安全性表現(xiàn)應(yīng)該會(huì)好一些。這些耐高溫的隔膜各有各的有點(diǎn),也各有各的缺點(diǎn),我想今天時(shí)間有限不展開(kāi)討論這些話題,舉一個(gè)小的例子,比如說(shuō)很多耐高溫的材料,做隔膜的時(shí)候用靜電紡絲工藝,在電池上的應(yīng)用有一些其他問(wèn)題,比如說(shuō)自放電比較大或者必須做到厚一點(diǎn)。調(diào)研這么多的材料以后綜合評(píng)估下來(lái),我們認(rèn)為芳綸材料在無(wú)機(jī)固態(tài)電池出現(xiàn)之前是解決鋰離子電池安全性最好的選擇。


(PPT圖示)這個(gè)顯示了加熱的時(shí)候,芳綸隔膜250度的時(shí)候收縮1%,300度的時(shí)候收縮不超過(guò)2%,耐溫性是相當(dāng)不錯(cuò)的。左邊這張圖顯示穿刺的時(shí)候可能發(fā)生什么,科學(xué)家做了非常多的詳細(xì)研究,比如說(shuō)穿刺的時(shí)候由于局部短路,金屬針表面發(fā)生什么,做了很多研究,這個(gè)過(guò)程不是完全可控的過(guò)程,因?yàn)獒樤氯ヒ凰查g每一次表現(xiàn)不完全相同。我這里展示的是技術(shù)上的一小步,但是有關(guān)未來(lái)高能量密度電池在汽車(chē)上的應(yīng)用是很重要的環(huán)節(jié)。


(PPT圖示)這條曲線是芳綸隔膜的電芯,電信容量52安時(shí),正級(jí)用的是811,做的150度的熱箱測(cè)試。藍(lán)色這條線是熱箱溫度,80度,十幾個(gè)小時(shí),升到120、150度,藍(lán)色是電池電壓監(jiān)測(cè)情況,可以看到電池在這個(gè)過(guò)程當(dāng)中電壓下降,電量在損失,但是電池沒(méi)有出現(xiàn)任何失控。150度溫度下負(fù)級(jí)、正級(jí)材料已經(jīng)分解了,但是進(jìn)行到這個(gè)階段隔膜仍然堅(jiān)持在崗位上,所以電池沒(méi)有出現(xiàn)失控。這些測(cè)試都是重復(fù)進(jìn)行了若干次,在安全問(wèn)題上我終于看到了一個(gè)令人高興的良好結(jié)果。


小結(jié)一下今天的內(nèi)容,這個(gè)芳綸材料在隔膜上的耐溫性非常好,但是制膜的過(guò)程,用的是類(lèi)似于濕法,250度下收縮小于1%,我們使用811正級(jí)材料的情況下,熱箱和針刺測(cè)試可以重復(fù)性通過(guò),非常好。


微宏過(guò)去一直是在業(yè)內(nèi)做快充電池而出名的,我們?cè)诳斐溥@個(gè)領(lǐng)域市場(chǎng)上有最好的聲望,也有最豐富的實(shí)踐。微宏現(xiàn)在有18000輛車(chē),累計(jì)運(yùn)行17億公里,分布在6個(gè)國(guó)家,150多個(gè)城市零安全事故。在未來(lái)乘用車(chē)的方向上,大家都了解高容量密度是發(fā)展的趨勢(shì),但是要先解決安全問(wèn)題,這也是我們不斷努力的方向,我們看到了芳綸隔膜在解決這個(gè)技術(shù)上的路線,包括這個(gè)技術(shù)能夠幫助行業(yè)走的更遠(yuǎn),謝謝大家!


(根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)發(fā)言整理,未經(jīng)本人審閱)



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