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鋰離子電池的潤(rùn)濕性表征

麥奇克/Microtrac 2022-05-10 | 閱讀：2317

作者：Susanna Laurén，Biolin Scientific

鋰離子電池是智能手機(jī)和筆記本電腦等移動(dòng)設(shè)備的主要儲(chǔ)能技術(shù)。最近對(duì)插電式混合動(dòng)力汽車和電動(dòng)汽車需求的增長(zhǎng)引發(fā)了關(guān)于鋰離子電池技術(shù)是否足以滿足大眾市場(chǎng)的全面電氣化的討論。

鋰離子電池的結(jié)構(gòu)

鋰離子電池由多孔的正負(fù)極組成，其中充滿電解液，并由隔膜隔開(kāi)。正極（陰極）通常由鋰鈷氧化物或鋰錳氧化物構(gòu)成。負(fù)極通常由石墨或其他碳基材料制成。電解液通常為含鋰鹽的有機(jī)溶劑，通常使用聚合物基電解質(zhì)。電解液只允許鋰離子在陽(yáng)極和陰極之間移動(dòng)。隔膜是陽(yáng)極和陰極之間的物理屏障。陰極和陽(yáng)極決定了電池的性能，而電解液和隔膜則對(duì)電池的安全負(fù)責(zé)。

鋰離子電池不同部位的潤(rùn)濕性已成為鋰離子電池生產(chǎn)、性能和安全性的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

電極材料的潤(rùn)濕性

電極材料與電解質(zhì)溶液的潤(rùn)濕性是高性能鋰離子電池發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)之一。

從小型電池到電動(dòng)汽車的大規(guī)模應(yīng)用對(duì)電池制造提出了重大挑戰(zhàn)。制造過(guò)程中的關(guān)鍵步驟之一是通過(guò)精密泵將電解液添加到多孔電極中。在這一步中，電解液應(yīng)該滲透并填滿電極的孔隙。這一過(guò)程被稱為潤(rùn)濕過(guò)程，在高溫下可能需要幾天時(shí)間，因?yàn)殡姌O的潤(rùn)濕性差，擴(kuò)散距離長(zhǎng)，以及氣體被困在孔隙內(nèi)而阻礙擴(kuò)散。這一漫長(zhǎng)的過(guò)程會(huì)增加制造時(shí)間，同時(shí)也會(huì)增加制造成本。

此外，多孔電極的電解質(zhì)潤(rùn)濕不足，會(huì)導(dǎo)致電極內(nèi)反應(yīng)不規(guī)則，固體-電解質(zhì)界面膜形成不穩(wěn)定。這可能會(huì)惡化電池性能，并導(dǎo)致循環(huán)壽命變差。此外，不完全潤(rùn)濕使鋰金屬枝晶形成，這導(dǎo)致了嚴(yán)重的安全問(wèn)題。未潤(rùn)濕的活性物質(zhì)也會(huì)導(dǎo)致電極容量利用率不足，增加電極電阻。

隔膜的潤(rùn)濕性

隔膜是電池的關(guān)鍵組成部分，因?yàn)樗环胖迷谡?fù)極之間。它通過(guò)阻止兩個(gè)電極之間的物理接觸來(lái)防止電池短路，但同時(shí)允許鋰離子的流動(dòng)。隔膜一直被認(rèn)為是電池的非活性部件，但它的性能對(duì)電池的性能和安全性至關(guān)重要。

隔膜是極性相反的電極之間的多孔膜。多年來(lái)，人們使用了各種不同的隔膜材料，但今天的商用隔膜通常是由聚乙烯或聚丙烯等聚烯烴制成的。

電解液的潤(rùn)濕性是鋰離子電池隔膜的關(guān)鍵特性，因?yàn)殡娊庖旱奈綄?duì)離子遷移至關(guān)重要。聚合物隔膜材料本身是疏水性的，對(duì)常規(guī)有機(jī)電解液的潤(rùn)濕性不足。為了提高隔膜材料的潤(rùn)濕性，人們考慮了不同的方法。這包括使用不同類型的涂層，例如靜電紡絲或原子層沉積(ALD)，以及制造復(fù)合隔膜。

力學(xué)法表面張力儀和光學(xué)法接觸角測(cè)量?jī)x均可用于研究鋰離子電池的潤(rùn)濕性。

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