锂离子电池的润湿性表征

2022-05-19

锂离子电池是智能手机和笔记本电脑等移动设备的主要储能技术。最近对插电式混合动力汽车和电动汽车需求的增长引发了关于锂离子电池技术是否足以满足大众市场的全面电气化的讨论。


锂离子电池的结构

锂离子电池由多孔的正负极组成,其中充满电解液,并由隔膜隔开。正极(阴极)通常由锂钴氧化物或锂锰氧化物构成。负极通常由石墨或其他碳基材料制成。电解液通常为含锂盐的有机溶剂,通常使用聚合物基电解质。电解液只允许锂离子在阳极和阴极之间移动。隔膜是阳极和阴极之间的物理屏障。阴极和阳极决定了电池的性能,而电解液和隔膜则对电池的安全负责。


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锂离子电池不同部位的润湿性已成为锂离子电池生产、性能和安全性的关键问题之一。


电极材料的润湿性

电极材料与电解质溶液的润湿性是高性能锂离子电池发展面临的挑战之一。


从小型电池到电动汽车的大规模应用对电池制造提出了重大挑战。制造过程中的关键步骤之一是通过精密泵将电解液添加到多孔电极中。在这一步中,电解液应该渗透并填满电极的孔隙。这一过程被称为润湿过程,在高温下可能需要几天时间,因为电极的润湿性差,扩散距离长,以及气体被困在孔隙内而阻碍扩散。这一漫长的过程会增加制造时间,同时也会增加制造成本。


此外,多孔电极的电解质润湿不足,会导致电极内反应不规则,固体-电解质界面膜形成不稳定。这可能会恶化电池性能,并导致循环寿命变差。此外,不完全润湿使锂金属枝晶形成,这导致了严重的安全问题。未润湿的活性物质也会导致电极容量利用率不足,增加电极电阻。


隔膜的润湿性

隔膜是电池的关键组成部分,因为它被放置在正负极之间。它通过阻止两个电极之间的物理接触来防止电池短路,但同时允许锂离子的流动。隔膜一直被认为是电池的非活性部件,但它的性能对电池的性能和安全性至关重要。


隔膜是极性相反的电极之间的多孔膜。多年来,人们使用了各种不同的隔膜材料,但今天的商用隔膜通常是由聚乙烯或聚丙烯等聚烯烃制成的。


电解液的润湿性是锂离子电池隔膜的关键特性,因为电解液的吸附对离子迁移至关重要。聚合物隔膜材料本身是疏水性的,对常规有机电解液的润湿性不足。为了提高隔膜材料的润湿性,人们考虑了不同的方法。这包括使用不同类型的涂层,例如静电纺丝或原子层沉积(ALD),以及制造复合隔膜。


力学法表面张力仪和光学法接触角测量仪均可用于研究锂离子电池的润湿性。



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