欣旺达动力林峰:高功率电芯隔离膜的设计与应用

企业   2024-11-07 13:59   天津  


  导读

2024CHPB-7《第七届先进高功率电池国际研讨会/The 7th International Forum on Electrolyte/Separator Materials for Advanced Batteries》于2024年1023日在苏州成功举办,中国化学与物理电源行业协会主办,先进电池材料/北京中联毅晖国际会展有限公司承办,中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所中国电器工业协会电动工具分会作为特别支持单位,同时并得到了弗迪电池宁德时代CATL通用汽车、青岛蓝科途、新宙邦、蓝科途、赣锋锂业、清华大学车辆学院、同济大学汽车学院、深圳比克、国轩高科、云山动力、吉利沃飞、盛禧奥、东莞创明、博赛利斯、中信金属、长虹三杰、苏州力神、亿纬锂能、泉峰科技、江苏东成、万向一二三、珠海冠宇、欣旺达动力、江苏思源、国元行(广东)、三一红象、无锡盘古、泰苓科技、深圳泰能、江苏载驰、湖州超钠、米开罗那、钹鑫科技、深圳科晶、汇晶科技、上海海逸、苏州富亿豪、圣泰材料等联合协办单位的大力支持。本届大会邀请了上下游产业链相关先进配套装备企业等200家企业单位,会议共安排了12个分会主题,40场主题报告,2个主题圆桌讨论会。500余位嘉宾出席了此次国际论坛(请看下方会议现场照片集锦)。

2024 CHPB-7 苏州(左右滑动查看更多精彩)

2024CHPB-7Session10先进高功率电池在混合动力车及快充的研究进展大会主题上,来自欣旺达动力科技股份有限公司,中央研究院先进材料部材料开发专家,林峰先生做了“高功率电芯隔离膜的设计与应用主题演讲。

 欣旺达动力科技股份有限公司 林峰先生

各位嘉宾下午好!

我是来自欣旺达动力材料开发部的林峰。下面,我给大家介绍报告是《高功率电芯隔离膜的设计与应用》。

报告内容相对比较简短,首先是背景介绍,其次是介绍隔离膜常见的组成,比如基材、耐热层、粘结层对于电芯功率影响介绍。最后,介绍一下隔离膜在欣旺达一些亮点产品上的应用情况。

一、背景介绍

欣旺达从2019年至今,陆续向市场上推出了一些有特色、有竞争力的HEV高功率产品。目前成熟量产的5.2Ah HEV方壳产品能达到60C闪充、70C闪放的水平,功率密度能达到15000W/L。材料技术端,如电解液、负极、正极都涉及到功率提升方面的研究,包括隔膜材料也是。虽然隔膜材料在电池里面是惰性材料,但是功能上承担着离子传输以及隔离正负极,防止机械短路的功能。

常规锂电池隔膜结构上包含基材、耐热层和粘结层,下面会重点介绍SWD以往在这三个隔膜元素对电芯功率影响的研究经验。隔膜基材,大家比较关注的是孔结构设计,如孔隙率、孔径迂曲度对功率影响。耐热层对隔膜基材起到耐热支撑作用,同时耐热层里面存在高分子类的binder材料,其在电解液中的溶胀特性会影响到锂离子传输,进而影响到电芯功率性能的发挥。粘结层的功能是利于电芯整形粘结电极作用,但引入粘结层也会带来功率的损失。粘结层中聚合物材料特性以及涂层涂覆方式带来的覆盖率或者面密度等均会影响锂离子传输,进而进行电芯功率。

二、隔膜设计及对功率影响

隔膜基材

隔膜基材的孔结构特性,主要包含孔隙率、迂曲度、透气值。其中透气值是厚度、迂曲度、孔隙率综合影响衍生出来的特性参数。迂曲度参数不是特别直观,测试相对繁琐,行业标准也不太统一,大部分隔膜厂未必会测试监控,隔膜厂主要是监控隔膜透气值参数,测试设备及方法相对也简易。但是这几个参数之间存在着一些关系。常用的EIS测试曲折度的方法,曲折度的平方和孔隙率、厚度、隔膜面阻抗存在数学关系,这是一种方法,然而其并没有和透气值参数关联起来。第二种方法是通过空气渗透法测试迂曲度,其直接和透气值参数关联。综合这两种方法,我们可以把EIS测试的曲折度和透气值参数关联起来,从而建立一定的数学关系。

基于此,我们做了曲折度和透气值的关系拟合,可以看到,曲折度和透气值的开方的相关性很强;当然最终的开发还是关注功率或者DCR的值,我们也把电芯DCR和隔膜曲折度的平方、厚度、孔隙率进行相关拟合。从以上这两个拟合关系中我们可以做什么事情呢?我们可以在隔膜材料迭代开发的时候,基于产品功率或DCR性能提升幅度需求去预测我们的迭代产品孔隙率、迂曲度、透气值以及厚度应该怎么匹配设计,从而便宜我们快速做特性参数的设计,减少DOE工作量。

基材设计的时候,我们除了关注隔膜对电芯初始功率影响,也需要关注电芯全生命周期的隔膜特性参数的变化,确认隔膜生命周期可靠性。

隔膜孔隙率和透气值的设计,我们会关注隔膜理论特性参数的制造边界在哪儿,孔隙率和透气值的实际关系表现如何,该特性参数下隔膜实际制造的优率如何。 确定隔膜参数设计时,我们还关注生命周期过程中的隔膜孔隙率和迂曲度的变化。我们知道电池在充放电过程中,特别是圆柱类型的特殊结构电池,因为电极膨胀会对隔膜产生挤压,隔膜的孔隙和曲折度相应都有一定的变化。在极端工况下或在生命中末期,功率预计会损失多少,这在设计的时候都要去考虑。

隔膜耐热涂层

隔膜耐热层的设计,目前大部分是以无机陶瓷为主,其中还会添加一定比例的Binder粘合剂,作用是将陶瓷颗粒束缚在基材表面上。因为陶瓷层里面粘结

剂Binder是充斥在陶瓷层的孔隙内部,如粘合剂Binder溶胀过大,会对陶瓷层中的孔隙堵塞,锂离子迁移的时候要绕着走,隔膜总的迂曲度会增加。因此我们会重点关注粘合剂在电解液中的溶胀率和Binder在陶瓷中的添加量。我们通过实验也确实发现使用低溶胀率的粘合剂或减少粘合剂的使用量,都会对功率DCR有显著的提升,隔膜总的迂曲度也会降低。当然,耐热层厚度设计对功率也是有影响,厚度增加会引起离子传输距离距离的增加。因为陶瓷层还需要兼顾耐热性,所以我们会在满足隔膜耐热性设计要求的前提,尽量把耐热层厚度降低。

隔膜粘结涂层

隔膜粘结层的设计,目前市场上粘结层使用最多的是PVDF材料,近年来,非氟类的丙烯酸酯类共聚物材料也得到一些应用。不同的粘结材料在电解液里面耐受性有一定差异,像PVDF类的半结晶材料溶胀相对较小,绝大部分非氟丙烯酸酯类聚合物材料的溶胀相对偏大。我们在实验的时候发现常规的低共聚度PVDF在电解液里面溶胀后,粘结层表面依然可以看到丰富的孔结构,它对离子传输的阻碍理论上比较小。但溶胀率比较大的丙烯酸酯类聚合物,在电解液作用下,涂层会形成块状或胶膜状,这对离子传输的阻碍就比较大。我们实际电芯测试结果,高溶胀粘结层确实DCR有很大增幅。

当然,粘结层除了关注原材料本身特性外,还需要考虑涂层涂覆方式,涂覆方式会影响到涂层在基材表面的覆盖情况。早前大家用得比较多辊涂(面涂)方式,粘结层在基材表面的覆盖率很大,达到70-80%。现在比较主流的还是点状分布的涂层,虽然粘接力偏小一些,但整体的离子通透性做得很好。在电芯整形之后看电极与隔膜剖面也可以发现,面涂方式电极与隔膜基材间隙充斥着粘结性材料颗粒,但点状涂覆方式间隙只有少部分被覆盖,存在很多通道。这两种涂覆方式我们在电芯里面也做过评测,点状涂覆的隔膜DCR会有明显的降低。

在应用端,我们还很关注从电芯制造到整个生命周期隔膜粘结层与电极的粘结状态。常规用的PVDF粘结层,特别是从热压整形到BOL状态,因为胶层材料被电解液溶胀,作为粘结力主要来源的分子间作用力大部分会被电解液破坏掉,剩30-40%左右。在某些特殊化学体系或特殊电芯结构上,对隔膜与电极生命周期的粘结力要求高,这时候常规的PVDF就未必满足,这时候要考虑新的涂层材料。我们在极低溶胀的非氟粘结材料上面做过一些研究,所涂覆的隔膜从电芯热压到BOL状态,粘结力损失可控制在10%左右的水平,这种粘结涂层在整个电芯生命周期中都能与电极保持强粘结作用,相对应电芯应用场景也可以更广。

三、隔离膜在欣旺达一些亮点产品上的应用情况。

最后,再简单介绍一下欣旺达其它的特色电芯电芯产品。我们基于在高功率电芯上的设计经验,目前欣旺达在动力电芯上的技术路线为:左手混动,右手纯电。混动电芯技术布局上,我们有高功率特性的HEV电芯以及兼顾倍率性与能量密度的PHEV、EREV电芯。纯电电芯技术路线上,这几年我们也陆续推出了超级快充产品,包括具有6C充电能力的三元和铁锂产品。

以上我本次论坛分析的报告,谢谢!

提问:感谢林工的分享,请教一个问题,关于您在隔膜研究当中,把孔隙率作为变量进行研究,是否又对它的孔径分布对功率性能影响进行研究?

回复:目前我们应用的比较多PE和PP隔膜通过隔膜厂端对关键过程特殊特性的SPC管控是可以实现相对窄的孔径分布。早期我们做过有意劣化基膜孔径分布的实验,孔径分布宽的隔膜在充放电的时候会引起电流密度的不均,局部区域出现很大的极化,最极端的情况下甚至可能出现析锂情况。


电源技术杂志
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