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隔膜是锂离子电池的重要组成部分,传统的聚合隔膜主要具有两个功能,第一个是电子绝缘,即保证锂离子电池正负极之间实现电子绝缘,防止短路的发生。第二个功能是导通离子,一般而言传统的隔膜都具有多孔结构,电解液能够渗入隔膜的内部,使得离子能够穿过隔膜,实现离子导通。
为了保证锂离子电池的安全性,人们设计了PP-PE-PP三层复合隔膜,该隔膜的特点是在电池发生短路或者放电电流过大时,由于电池温度升高,导致电池内的温度超过隔膜中间层PE的熔点,但是没有超过PP的熔点,熔化的PE材料能够渗入到PP层的微孔之中,从而阻断离子在正负极之间的迁移,因此达到阻断锂离子电池放电的目的,提升电池的安全性。PP-PE-PP三层隔膜是锂离子电池隔膜向着多功能化迈出的重要一步,在保证隔膜的基本功能的基础上提高了锂离子电池的安全性。
隔膜的多功能化是一个重要的发展趋势,对于提高锂离子电池的安全性和电化学性能都有重要的意义。随着锂离子电池比能量的提升,正极材料开始普遍采用三元材料、锰酸锂作为正极,三元材料存在一个很大的问题是过渡金属元素的溶解问题,特别是Mn元素溶解后,会迁移到负极表面上,造成负极SEI膜破坏和再生长,引起电池内阻的上升,电池性能下降,在高温下这一现象将更加明显。为了解决过渡金属元素的溶解问题,以色列巴伊兰大学的AnjanBanerjee开发了一款功能性隔膜,该隔膜具有含氮化合物,能够捕捉在电解液中的Mn离子,减少Mn元素在负极的沉积,从而显著的提升含Mn材料的循环性能。实验显示,采用该款隔膜的LiMn2O4/石墨电池在55℃下循环30天,实验组电池容量要比对照组电池高75%-125%。通过对负极表面元素检测,采用该功能隔膜的电池的负极表面的Mn元素比对照组低13-21倍。XRD衍射数据显示,采用该隔膜的LMO材料晶体结构转变要明显小于对照组,这表明通过净化电解液中的Mn元素,可以有效的抑制正极活性物质晶格结构转变,提升电池的循环性能。通过净化电解液中的Mn元素,能够减少迁移的负极的Mn元素,从而减少SEI膜的破坏,提升电池的循环性能。
造成正极材料中的过渡金属元素的溶解、电池性能下降等问题的很重要的一个原因就是电解液中分解产生的HF,电解液中的HF主要是因为LiPF6分解导致的。LiPF6在电解液中会发生分解LiPF6=LiF+PF5,在电解液中有水存在的前提下,PF5会进一步发生分解PF5+H2O=2HF+PF3O,上述反应产生的HF和路易斯酸(PF5、PF3O等)会引发锂离子电池内的副反应,导致电池性能下降,例如研究显示在LiFePO4/石墨电池中添加1000ppm的水分就会导致电池的循环寿命出现显著的下降,寿命不足50次,EIS测试表明在给电池中增加水分后会导致电池内阻明显的增加,这说明额外的水分是引起电解液中LiPF6发生分解,产生的HF和路易斯酸会在电池内引发副反应,从而使的锂离子电池生成高阻抗的SEI膜,影响锂离子电池的寿命。
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