次世代のリチウムイオン電池はダイヤフラム素材で作られるのでしょうか？

Polarisエネルギー貯蔵ネットワーク：リチウムイオン電池は、エネルギー密度が高く、サイクル寿命が長いなどの利点があるため、モバイル電子機器や電力機器で広く使用されていますが、テスライベント、サムスン携帯電話イベント、頻繁なリチウムイオン電池の安全事故が徐々に発生しています人々の注目を集めました。リチウムイオン電池の重要な構成要素の1つである電池ダイヤフラム（図2）は、リチウムイオン伝送チャネルを提供し、リチウムイオン電池の安全性に非常に重要な影響を与える正極と負極の接触の短絡を防ぐことができます。次の条件を満たすリチウムイオン電池ダイヤフラム：

（1）正極と負極を機械的に絶縁するための電子絶縁を備えています。

（2）低抵抗、高イオン伝導性、およびリチウムイオンへの良好な透過性を確保するために、特定の多孔性と細孔サイズを備えています。

（3）電解質腐食に対する耐性、優れた電気化学的安定性。

（4）電解質の良好な浸透と十分な吸収性保湿能力。

（5）穿刺強度、引張強度などを含む十分な機械的特性。

（6）優れた空間安定性と滑らかさ。

（7）良好な熱安定性。

独自の利点を備えたリチウムイオン電池は、従来の電池市場を急速に占領し、広く使用されてきました。携帯電話、ラップトップ、カメラ、カメラ、その他の電子製品や情報製品は、現在、電源としてリチウムイオン電池を使用しています。ただし、パワーバッテリーやその他の大容量リチウムイオンバッテリーアプリケーションなど、一部のハイエンドアプリケーションでは、宣伝および普及されていません。重要な理由の1つは、既存のリチウムイオン膜の性能がハイエンドのバッテリー膜の要件を満たすことができなかったことです。ハイエンドバッテリーのダイヤフラムの要件：

（1）高温安全性

（2）高電力充放電性能

（3）高いサイクル寿命。

ポリオレフィン膜は高温で閉じることができるため、熱のさらなる拡散が防止され、現在最も広く使用されているリチウムイオン電池膜です。現在最も広く使用されているポリオレフィンダイアフラム材料は、ポリエチレン（PE）とポリプロピレン（PP）であり、その軟化変形は100℃以上で発生しました。ポリオレフィンポリマーは耐熱性が低く、過充電および過放電、急速な充電および放電、または高温下で溶融し、短絡、火災、さらには爆発を引き起こす可能性があります。他方、ポリオレフィン膜の電解質浸透は不十分である。ポリオレフィン膜の熱安定性と電解質の浸透を改善するために、現在の主な解決策は、ポリオレフィン膜の片面または両面に耐高温コーティングを施すか、代わりに使用できる優れた熱安定性を備えた新しい膜材料を見つけることです。ポリオレフィン。

ポリオレフィンベースフィルムへの耐熱コーティングは、ポリオレフィン膜を修飾する一般的な方法です。これは、バッテリーの電気化学的特性と熱細孔閉鎖特性にほとんど影響を与えませんが、膜の熱収縮を効果的に低減し、それによって安全性を向上させることができます。リチウムイオン電池。現在、市場では無機セラミック被覆膜が最も一般的に使用されていますが、セラミックナノ粒子は凝集しやすく、ベースフィルムに均一に被覆することが難しいため、深刻な正孔閉塞を引き起こし、イオンの増加につながります伝達抵抗、リチウム電池のリサイクル性能に影響を与えます。また、電池の組立工程において、無機セラミックと基板の組み合わせ性能が悪く、セラミックコーティングが脱落しやすい。ただし、通常のバインダーを添加して接着力を上げると、ダイヤフラムの透過性が悪くなり、電池の内部抵抗が大きくなります。セラミックコーティングのこれらの欠点に基づいて、コーティング材料としての高温耐性ポリマーの使用はますます研究になっている。

別の解決策は、天然材料と合成材料を含む従来の耐熱性ポリアミド材料、セルロースとその誘導体を含む天然材料、ポリ（エチル2テレフタレート（PET）とポリ（フッ化ビニリデン）を含む合成材料を含む新しいダイアフラム材料を選択することです）（PVDF）、ポリ（フッ化ビニリデン-ヘキサフルオロプロピレン（PVDF HFP）、ポリアミド（PA）、ポリイミド（PI）、アラミド（アラミド間（PMIA）;パラアラミド繊維（PPTA）など）。

PIは、主鎖にポリアミド環を含む一種のポリマーであり、最高の総合性能を備えた有機ポリマー材料の1つです。 400℃以上の高温に対する耐性、200〜300℃の温度の長期使用、明らかな融点がない、高い絶縁性能、1000Hzの誘電率は4.0、誘電損失はわずか0.004〜0.007、Fクラスに属するH絶縁。航空、航空宇宙、マイクロエレクトロニクス、ナノ、液晶、分離フィルム、レーザーなどの分野で広く使用されています。性能と合成における卓越した利点により、PIは、構造材料としても機能材料としても、その巨大なアプリケーションの見通しで十分に認識されており、「問題解決の専門家」として知られています。

ダイヤフラムとして、PIダイヤフラムには従来のポリオレフィンダイヤフラムに比べて多くの利点があります。まず、優れた高温耐性があり、リチウムイオン電池の安全性能を向上させることができます。第二に、PI多孔質膜は多孔性が高く、PIは極性基が多く、膜はイオン伝導性が高く、電解質の浸透が非常に良いため、リチウムイオン電池は高速の充電と放電に適しています、充電時間を短縮し、リチウムイオン電池の寿命を延ばします。したがって、PIダイヤフラムは次世代のリチウムイオン電池膜材料として期待されています。 PIは2つの方法でリチウムイオン電池膜に適用されます。 1つは、基底膜をPIでコーティングして基底膜を修飾し、コーティング膜を準備することです。もう1つは、PIを基質膜として使用することです。

1.変更された横隔膜

基底膜のPIコーティングは、膜の熱安定性を向上させることができます。ベースフィルムは、PE、PP、PP / PE / PPなどのポリオレフィン膜、またはフタル酸エチレン（PET）、ポリエチレンオキシド（PEO）、ポリアクリロニトリル（PAN）、セルロースなどの不織布で作成できます。ベースフィルム上のPIコーティングの形態は、粒子、繊維、または多孔質フィルムにすることができます。導入される形態は、使用されるベースフィルムのタイプに応じて、ポリアミド酸（PAA）またはPIにすることができます。パク・ジョンキ他[1] P84をN、n-ジメチルホルムアミド溶剤に溶解し、PEベースフィルムの両面にコーティングしました。溶媒揮発後、PI複合膜が形成され、PIはPEベースフィルム上に球状粒子を形成しました。複合膜は、ダイヤフラムの熱安定性を向上させるために、PEの電気化学的性能に基づいてダイヤフラムに影響を与えません。ダイヤフラムは140℃の高温に耐えることができます。 Xingxing Liang [2] etal。 PAA溶液をエレクトロスピニングすることによりPAAナノファイバー膜を調製し、次にPAAナノファイバー膜の熱照射によりPI多孔質膜を調製した。次に、ＰＩ多孔質膜をＰＥＯ溶液に浸し、乾燥後にＰＩ ／ ＰＥＯの複合膜を得た。 SiO2 @ PIフィルムの静電紡糸調製、エチルセルロース（EC）とポリビニルピロリドン（PVP）の構成など、SiO2 @PI溶液のLiuJian [3]、鋳造溶液はPEフィルムを鋳造溶液に浸し、その後水で洗浄しました。 ECのPE膜形成多孔質膜の両側であるPVPは、最終的に、SiO2 @ @ PI PIフィルム、EC @ PEフィルム、SiO2 @サンドイッチPIPI膜複合膜のホットプレス準備、180℃の熱収縮性下での複合ダイアフラム0まで、高温に対する良好な耐性（図3）。 Chuan Shi etal。 [4]は、Al2O3ナノ粒子をPIと混合してキャスティングフィルム溶液を調製し、PEベースフィルムの片面にコーティングしたと報告しました。 PIは、PEフィルム上でセラミックをよりよく結合するためのバインダーとして機能でき、複合フィルムは、優れた電解質浸透、高温耐性、およびバッテリーを示します。

2.新しいシステムダイヤフラム

PIはリチウム電池膜の母材としてのみ使用されています。最も一般的なのは、静電紡糸によって調製されたナノファイバー膜、相変換またはテンプレート法によって調製された多孔質膜、およびエッチング、焼結および他の方法によって調製されたPI多孔質膜です。

LiyunCao [5]などは、ナノメートル繊維の静電紡糸調製法によって得られます。PIwiki不織布は、500℃の高温下での安定性（図3）、90％の細孔率、電解液吸収の極性を使用できます。レートが高く、インピーダンスが低く、比率性能が良好で、充電および放電容量に対する5 cは、320回後も99.66％のレートのままです。 Ying、Wang [6] etal。ドープへのPAAとSiO2の調製、PAA / SiO2ナノファイバー膜の静電紡糸調製、次に熱/ SiO2多孔質膜のPI、90％の多孔度、2400％の電解質吸収率（通常のPP 250℃までの温度に耐えることができるダイヤフラムの吸液率はわずか169％）で、優れた性能とサイクル性能を示しています。 Jaritphun Shayapat etal。 [7]は、静電紡糸によってPAA / SiO2およびPAA / Al2O3多孔質膜も調製しました。

Baoku Zhu [8]などPAA多孔質膜の非溶媒誘導相分離法調製によるPAA溶液、次にフィルム形成条件を制御することにより熱多孔質膜のPIを取得し、約0.5ミクロンで開口を作り、均一に分布し、スポンジ状のPI多孔質膜の場合、多孔質膜のイオン伝導率は2.15 mS / cm、250％、180℃の熱収縮下での流体吸収率に達する可能性があります（図5）。 Xuyao Hu [9]とPI NMP溶液にSiO2を散布し、混合物を乾燥させ、HFエッチングでSiO2をPI多孔質膜にし、PP膜と比較して、PI多孔質膜は180℃の熱収縮性では明らかではないことがわかりました。リチウムイオン電池の安全性を向上させます。

【結論】

電子情報および新エネルギー産業の発展に伴い、リチウムイオン電池、特に新エネルギー車用のパワー電池の性能に対するより高い要件が提唱されています。リチウムイオン電池ダイヤフラムの4つの主要な材料の1つとして、電池の安全性に直接影響し、その厚さ、多孔性、吸液率、化学的安定性、静電値は電池の電気的性能に直接影響します。従来のポリオレフィン膜は吸液率が低く、耐熱性が高いため、熱安定性と電解質浸透性に優れた新世代の膜材料を開発する必要があります。 PIの構造と性能により、リチウム電池膜と従来のPE、PPフィルムには大きな利点があります。デュポンは2010年8月4日に、リチウムイオン電池用のポリイミドナノファイバーウィキセパレーターを開発したと発表しました。これにより、電池の電力と寿命を最大15〜30％向上させることができます。江西西安海株式会社が作製した自立型PIナノファイバー電池膜。静電紡糸により、安全性、倍率、耐用年数の長さを特徴とするパイロット段階に入りました。

これまで、PIダイアフラムに関する国内外の研究は多くの段階の結果を達成しましたが、デュポンに加えて、PIリチウム電池ダイアフラム関連の生産設備の欠如に加えて、PIダイアフラムのほとんどはまだ実験室の研究段階にあります。材料費が高いため、国内市場ではPIリチウム電池ダイヤフラムは依然として大きなギャップです。したがって、高分子材料企業は、モノマー合成および重合法におけるPIコストを削減する方法を見つける必要があります。ダイヤフラム製造会社と機器加工会社が協力して、PIリチウム電池ダイヤフラムの工業生産をできるだけ早く実現します。

参照

1.ジョンチャン・ソン、ミョンヒョン・リョウ、ボンキ・ソン他リチウムイオン電池の熱安定性を高めるためのコポリーコーティングされたポリエチレンセパレーター。 Electrochimica Acta、2012、85：524-530。

2.Xingxing Liang、Ying Yang、Xin Jin etal。高性能リチウムイオン電池用のポリエチレンオキシドコーティングエレクトロスピニングポリエ繊維分離器、Journal of Materials Science＆Technology、2015年。

3.Jian Liu、Yanbo Liu、Wenxiu Yang etal。三層SiO2 @ PI / m-PE / SiO2 @PIナノファイバー複合膜により高性能と高安全性を実現したリチウムイオン電池セパレーター。 Journal of Power Sources、2018、396：265-275。

4.Chuan Shi、Jianhui Dai、Xiu Shen etal。リチウムイオン電池用のポリエチレンバインダー/ Al2O3粒子を使用して調製された高温安定セラミックコーティングセパレーター。 Journal of Membrane Science、2016、517：91-99。

5.Liyun Cao、Ping An、Zhanwei Xu etal。高出力リチウムイオン電池用のエレクトロスピニングポリエ不織布セパレーターの性能評価。 Journal of Electroanalytical Chemistry、2016、767：34-39。

6.Ying Wang、Suqing Wang、Junqi Fang etal。安全性の高いリチウムイオン電池用の熱特性と濡れ特性が強化されたナノシリカ修飾ポリエナノファイバーセパレーター。 Journal of Membrane Science、2017、537：248-254。

7.Jaritphun Shayapat、Ok Hee Chung、Jun Seo Park etal。リチウムイオン電池用のエレクトロスピニングされたポリ複合セパレーター、Electrochimica Acta、2015年。

8.Hong Zhang、Chuner Lin、Mingyong Zhou etal。リチウムイオン電池用の可溶性前駆体および非溶媒誘導相分離プロセスを介して調製された高熱抵抗ポリマーセパレーター、Electrochimica Acta、2016、187：125-133。

9.Xuyao Hu、Yaowu Wang、Tao Cui etal。リチウムイオン電池用のPI微孔性膜の調製、Advanced Materials Research、2014、834：104-107。