静电纺丝纳米纤维电池隔膜领域中的应用

        电池隔膜是构成锂电池的四大关键内层组件之一,电池隔膜的性能直接影响电池的容量、循环以及安全性能等特性,性能优异的隔膜对提高电池的综合性能具有重要的作用。隔膜在电池中的主要作用是隔离正负极,防止两极电子导通而短路,同时提供离子在正负极之间往复迁移的微孔通道。简而言之,对于锂离子二次电池而言,隔膜就是一种同时能够满足电子绝缘、离子导通的多孔膜。
        而锂离子电池隔膜的制造工艺简单的理解就是在薄膜上的造孔工艺,当然只有通孔才是有效的离子导通孔。传统的隔膜造孔技术主要包括:一是聚烯烃干法单向拉伸工艺,代表性公司是美国的Celgard和日本的宇部(UBE);二是干法双向拉伸工艺,代表公司是新乡格瑞恩;三是湿法拉伸工艺,代表性公司有日本的旭化成、东燃和美国的Entek等。另外一个值得一提的新兴造孔工艺,就是现在比较热门的静电纺丝法造孔工艺。
 
静电纺丝法在电池隔膜领域的应用
        非织造布系列的锂电池隔膜目前主要的制备方法就是静电纺丝方法,而且以目前的技术来看,静电纺丝法可实现纳米纤维规模化生产,适用于多种高分子材料纳米纤维的植被,具有其他纳米纤维制备方法无法比拟的特点:
 
        相对而言,静电纺丝设备加工的精度要求不高,加工成本较低;设备操作简单,构造结构简单,易拆卸易维护,维护维修成本低廉;静电纺丝工艺便于通过在基材表面进行原位纺丝制备复合膜;静电纺丝的生产效率可通过设备改造和工艺的完善进一步提高,具有客观的工业化生产潜力;静电纺丝法制备的无纺布型锂离子电池隔膜与聚烯烃薄膜型的隔膜相比,它的结构特点是呈现三维孔的结构,有研究者认为,该结构可有效避免因为针孔造成的短路现象,并有效提高透气性、孔隙率、保液率、电化学稳定性等。一般薄膜型隔膜的孔隙率在40%左右,而无纺布型的隔膜材料可以达到60%以上,由于其结构上的特点,在保液率等性能方面更具优势。
 
 
        以PVDF材料为例,用静电纺丝工艺制备的PVDF锂电池隔膜在结构和性能上一般具有以下特点:
 
        孔隙率可控:40-80%;厚度可控:20-50μm;通透性3D;浸润性好;持液率高:400~700%;热稳定好:通过150℃;电化学性能稳定;倍率性能好:可满足10C以上大电流放电;循环寿命高。
 
显而易见,与其他纳米纤维制造技术相比,静电纺丝制备纳米纤维的特征突出,从而其产业化的潜力受到了业界的重视,国内外已知的以静电纺丝工艺为主的隔膜企业如表2所示。

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