[00034222]電動汽車動力電池用高安全功能隔膜的技術開發與產業化

一、項目簡介 隔膜是決定鋰離子電池性能的重要材料之一，尤其對電池的安全性能起著至關重要的作用。主要體現在隔離正、負極片，使電池內的電子不能自由穿過，防止電池內部短路，同時讓電解液中的離子在正負極間自由通過，實現離子導電。鋰離子電池的安全性不但取決于電極材料，還與電池隔膜具有極大的關系，在某種程度上來說隔膜起到最關鍵的作用。電池內部短路是鋰離子電池安全性的最大隱患。鋰離子電池80%以上的熱失控（發熱、冒煙、起火、爆炸等）是由電池自身內部短路而引起的。造成電池內部短路的原因很多，但最主要的原因是由隔膜材料決定的。目前鋰離子電池所用隔膜主要以聚烯烴微孔膜為主，成分主要是聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）。聚烯烴類隔膜的熔點溫度較低，在電池溫度過高時，隔膜會收縮甚至融化，造成電池內部短路，從而引起安全事故。 提高聚烯烴隔膜的耐熱性，增大聚烯烴隔膜熱閉孔溫度與破膜溫度的溫度差是提高聚烯烴隔膜性能的重要途徑。功能隔膜是在隔膜表面涂覆一層熱穩定性良好的耐熱層（陶瓷等）。耐熱層可以在隔膜表層形成一個穩定的框架，阻止隔膜的進一步收縮，即使隔膜局部熔化，表面的耐熱層也可以置于正負極片之間，形成一個良好的絕緣壁壘，切斷電流，防止短路的進一步發生。 二、前期研究基礎 項目于2011 年1 月立項，同年8月被科技部“863 計劃”重大項目支持（項目編號2012AA110404）；同時，使用該功能隔膜材料的動力鋰離子電池也獲得了“863 計劃”重大項目立項（項目編號2012AA110204）。2012 年底，項目團隊在中航鋰電（洛陽）有限公司建成一條年產300 萬平方米陶瓷涂覆功能隔膜生產線。科技部網站把該項成果列為國家“863 計劃”電動車重大專項的3 個代表性重大突破性成果予以報道，指出“該項目的實施，對于完善和補充我國鋰離子動力電池產業鏈缺失的關鍵一環，對于提高鋰離子動力電池生產和應用的安全性具有至關重要的作用。”( 3_106882.htm) 生產線經過半年多的連續生產后，完成相關配方固化，合漿、涂布、分切工藝技術開發，形成生產能力，并進行了陶瓷隔膜電池設計、試制與測試，并于2013年11月通過了中航工業集團組織的科學技術成果鑒定，專家組鑒定意見如下：“該項目開發了陶瓷涂層與聚烯烴微孔膜復合技術，研制出具有耐高溫性能和熱關斷作用的PE 和PP 系列的功能隔膜材料，并完成了產業化技術開發，建立了一條年產300萬平米的功能隔膜生產線，鑒定委員會一致認為：“該項目成果整體技術處于國際先進水平”。2013年12月，采用該功能隔膜的高容量鋰離子動力電池產品通過了“電動汽車用鋰離子蓄電池”強制性檢測，安全性能達到使用要求。 三、應用技術成果 圖1全新的功能隔膜產品 （一）發明、開發了多種具有全新構造和構成的陶瓷涂覆功能隔膜。 主要包括，1）表面高分子材料改性的無機陶瓷材料與傳統聚烯烴隔膜復合的陶瓷涂覆功能隔膜材料（ZL201310006942.6）；2）具有“多級熱響應功能”的新型功能隔膜。3）具有功能化結構單元或成分單元的陶瓷粉體涂覆材料（ZL201310006942.6；ZL201410751072.X）。4 ）發明了具有熱關閉功能的耐高溫性無紡布基隔膜（CN201510057825.1）。 （二）開發了水基單面涂覆陶瓷隔膜關鍵技術。 包括無機材料的表面修飾和基材膜的表面處理；無機材料的分散技術的確立；基材膜上的涂布技術的開發；高速烘干技術的開發和抑制基材膜的起皺等關鍵技術。 （三）發展了多種新型功能隔膜。 包括新型隔膜結構功能化、陶瓷粉體成分功能化以及超高溫維度穩定與低溫熱閉孔相結合的被動安全機制與主動安全策略復合的新型功能隔膜等。 （四）開發了功能隔膜在鋰電中的應用技術。 基于電池極端工況條件下的熱效應，發明了一種針刺隔膜性能檢測方法，可快速實現陶瓷涂覆功能隔膜產品高溫維度穩定性等特性的檢測，具有高效、低耗等特點（CN201310228494.4）。 四、合作企業 中航鋰電（洛陽）有限公司，負責大規模生產技術的開發、工藝路線的優化和開發產品的應用技術。截至目前，公司隔膜相關技術共申請15項專利，其中PCT專利2項，獲授權3項發明專利和5項實用新型專利。累計生產功能隔膜500 余萬平方米。2014 年公司起與河南義騰和滄州明珠委托加工、合作開發、合資建廠等方式，分別完成PP 基、PE 基功能隔膜的量產，并應用于公司生產的所有電池產品上。近三年來產品累計形成產值已達30 億元。 團隊還與中興新材、德爾未來等進行了廣泛的技術合作。