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新能源 | 动力锂电池中聚合物关键材料 精选

已有 7580 次阅读 2018-8-8 11:57 |个人分类:科学书摘|系统分类:观点评述

 

动力锂电池在电动汽车和可再生新能源储能领域扮演着极其重要的角色。商品动力锂电池中隔膜、聚合物电解质、电极黏结剂、铝塑膜的主要成分都是聚合物材料。因此,聚合物材料的性能对动力锂电池的性能有着极其重要的影响。特别需要强调的是,固态聚合物电解质的研发是发展下一代聚合物固态锂电池的重中之重。因此,动力锂电池中聚合物材料的研究,对于电池性能的提升及新能源电动汽车的发展都是至关重要的。虽然我国是锂离子电池生产大国, 但在锂电池用聚合物关键材料研究和生产方面与世界先进水平还有一定差距,与聚合物有关的核心材料如高端隔膜、聚合物电解质、电极黏结剂、铝塑膜等还依赖于进口。这就需要我们科研工作者不仅仅要研究聚合物关键材料的基础科学问题,更要从实际应用的角度出发,探索开发新型高性能电池用聚合物核心材料,满足高能量密度、长续航里程、长寿命、高安全性的动力锂电池的迫切需求。


说这么多,小伙伴们是不是很迫不及待地想了解本书具体内容了?马上跟大家分享!


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动力锂电池概述


本章用最简洁的语言让大家快速了解锂离子电池的诞生和发展历程、工作原理、具体组成、相关专业术语及动力电池的市场预期,本章最重磅内容是:重点阐述了动力锂电池的生产工艺流程(包含工序控制点及相关生产设备),动力锂电池电芯结构,并且崔光磊研究员根据青岛储能院的实践经验,在附录中倾情奉献出一套动力锂电池(22Ah,355 Wh/kg)生产设计说明书(电池各工序具体参数设计,正极和负极配料参数),这是非常难得的高能量密度锂离子电池设计方案。本章可以帮助零基础读者迅速了解和认知动力锂电池,大家是不是很心动?


关键材料一:聚合物隔膜


本章的主题是隔膜,隔膜是含有大量微孔结构的聚合物绝缘膜,在电池中是非活性组分,但其实影响着锂电池的很多性能,尤其是安全性能。


本章首先分析了隔膜市场的产业格局,令大家伤心的是国内企业仅占10%市场份额,而且是中低端市场,国内隔膜企业的发展受制于专利、基体原材料、高精密生产设备与工艺等,大家是不是都摩拳擦掌,跃跃欲试了?兵马未动,粮草先行,大家先翻阅学习一下本章后面的内容吧:


A.首先介绍电池对隔膜的要求及隔膜各项物性指标的测试方法;


B.详细介绍隔膜中常用的主体聚合物材料及其特性,如聚烯烃类、含氟聚合物类、聚酯类、聚酰亚胺、芳砜纶及青岛储能院致力推进的生物质纤维素类;


C.总结了传统聚烯烃类隔膜的干法生产工艺、湿法生产工艺及其差别;详细对比分析市场上具有代表性的聚烯烃类隔膜商品;重点介绍基础研究领域在改性聚烯烃隔膜方面的进展;还详细介绍了改性聚烯烃隔膜代表性商品的相关参数,如陶瓷涂布、芳纶涂布的聚烯烃隔膜,还有国内企业在聚烯烃与陶瓷颗粒共混膜方面的创新探索;


D.介绍无纺布复合隔膜中无纺布基材的熔喷和纺粘制造工艺,并对无纺布复合隔膜的代表性产品进行对比分析;进一步介绍静电纺丝无纺布隔膜相关进展,还倾情推介青岛储能院在国内率先合作开发出大型静电纺丝设备样机用于静电纺丝无纺布隔膜生产中试情况;以及青岛储能院采用抄纸技术开发的高性能纤维素基复合隔膜。


关键材料二:聚合物电解质


本章的主题是聚合物电解质,发展聚合物电解质就为了通过不用液体电解液或少用液体电解液的方式提高电池安全性,因此聚合物电解质主要分为两大类:固态聚合物电解质(不用液体电解液)和凝胶聚合物电解质(少用液体电解液)。大家是不是已经发现了?没错,本章将独家揭秘在世界范围内热炒的固态电池的关键核心——固态聚合物电解质:


A.先介绍应用最为广泛的聚环氧乙烷基(PEO)固态聚合物电解质的基础研究进展,并对其商业应用现状和相关专利进行分析;


B.本章最重磅的内容是分享青岛储能院在聚碳酸酯基固态聚合物电解质的研究进展,并介绍青岛储能院研发的固态电池在全海深领域应用示范情况;


C.介绍硅基固态聚合物电解质的研究进展及相关专利分析;另外,塑晶类和无机有机复合类固态电解质也作了相应的阐述;


D.最后,详细介绍凝胶聚合物电解质近几年在基础研究领域的进展。


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 “刚柔并济”聚合物电解质的设计理念


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“青能-Ⅰ”固态电池为“万泉”号着陆器提供能源及设备参航证书


关键材料三:聚合物黏结剂


本章的主题是聚合物黏结剂,原来“黏结剂”是这样写,大家以前写“粘结剂”是错的!


闲话少说,黏结剂的重要性在最近几年才被大家接受,黏结剂的质量和使用工艺在某种程度上也决定着电池的质量:


A.介绍黏结剂的市场格局,总结分析电池对黏结剂的具体性能要求和相关测试方法;


B.按合成类黏结剂、天然黏结剂、导电聚合物黏结剂的分类进行详细介绍,并将工业上常用的黏结剂的合成方法和搅拌配料(涂布工艺)使用方法分享给大家;介绍了青岛储能院崔光磊研究员开发的丙烯腈改性壳聚糖类黏结剂在锂离子电池中良好应用。


关键材料四:铝塑膜中的聚合物


铝塑膜技术复杂,壁垒极高,用词句“看似简单却尖端,入门门槛堪比天”来形容铝塑膜再恰当不过了。


铝塑复合膜(简称铝塑膜)是软包锂离子电池电芯封装的关键材料。铝塑膜基本结构一般分为三大层,即聚合物外层/铝箔层/聚合物内层,每层之间通过黏结性聚合物助剂复合。软包锂离子电池对铝塑膜性能要求近乎于苛刻,包括超高的水氧阻隔性能(是食品包装用普通铝塑膜的10000倍)、良好的冷冲压成型性能、耐穿刺性能、耐电解液腐蚀性能、耐高温(热密封)性能和绝缘性能等,任何一项性能有所缺失,都有可能导致电池失效,甚至热失控起火爆炸。因此,铝塑膜在设计、原材料、生产制造(高精度涂布技术)和应用各环节技术壁垒极高,其难度远超聚合物隔膜、黏结剂、正负极材料和电解液等其他组分,也是软包电池中尚未实现大规模国产化的核心材料,对国外产品高度依赖,国内市场份额85%由日本企业把持,国内企业占不到5%的市场份额,状况堪忧。


大家如果在网上搜索可能会发现,研究铝塑膜的文章和资料很难找到,似乎很神秘,本章就给大家呈现大量”内部资料”,揭秘铝塑膜:


A.详细介绍铝塑膜的市场、主要生产工艺(干法工艺和热法工艺)和工艺对比;


B.重点介绍铝塑膜的性能要求及评价测试方法;


C.为了解开铝塑膜的神秘面纱,对四大铝塑膜企业(日本昭和电工、日本DNP、日本凸版印刷、韩国栗村化学,占国内市场份额95%)的铝塑膜专利进行全面分析,总结聚合物在铝塑膜中的应用;韩国栗村化学在铝塑膜领域起步较晚,却依靠过硬的品质在近几年不断蚕食日本厂商的市场份额,其经验值得国内铝塑膜企业和科研大咖研究借鉴。


尽管国内科研界与产业界在动力锂电池聚合物关键材料领域取得了一些令人振奋的成果,但我们必须清醒地认识到与国外同行的差距,并奋起直追,争为洋先,这也是撰写本书的初衷所在,最后用一首无题小诗自勉和勉励大家:


化石能源渐枯竭,环境污染众难悦。

清洁能源箭在弦,能量转换锂电借。

聚合材料是关键,精益求精莫停歇。

经济转型强国策,定勿他日受人挟。

 

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中国工程院陈立泉院士、中国科学院朱道本院士为本书作序



本文摘编自中科院青岛能源所崔光磊研究员新书:《动力锂电池中聚合物关键材料》,内容有删节。

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动力锂电池中聚合物关键材料

崔光磊  著

责任编辑:翁靖一

联系电话:64019769

北京:科学出版社 2018.06

ISBN 978-7-03-058029-0


近年来锂离子电池由于优异的特性而成为人们研究与开发的热点。本书全面地介绍了锂离子电池的工作原理,并围绕隔膜、电解质、黏结剂、铝塑膜详细介绍了高分子聚合物材料在动力锂电池中的应用,并结合实际具体介绍了电池的组装工艺。本书基于作者多年来的创新研究成果并总结了国内外研究者对于锂离子电池的最新成果与相关技术,体现了高分子聚合物材料对锂离子电池性能的提升起到关键作用,对于研究和开发新能源产业具有重要的意义。


(本期编辑:安 静)


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