隔膜,是锂电材料中技术壁垒最高的一种高附加值材料,同时也是锂电池结构中的关键组件之一,被视为提升性能和保证安全的“关键一层”。今天要给大家介绍的明月湖黑科技,是一张白色的薄膜,它的学名叫“纳米纤维膜”。

  从表面上看,“纳米纤维膜”并无特别之处。当我们用电子显微镜放大5000倍后,您会看到这样的场景:薄膜内部,是像鸟巢一样的三维多孔结构,在它面前,花粉、病毒、PM2.5这些原本微小的物体都显得有些庞大。

  (重庆交通大学绿色航空技术研究院供图)

  在明月湖畔,重庆交通大学绿色航空技术研究院的实验室内,有一群“电化学纺织工”,就正在这张膜上,织就新材料发展的蓝图。

  在位于明月湖畔的重庆交通大学绿色航空技术研究院,副院长杨大祥带我们做了三个有趣的实验,以直观展现纳米纤维膜的特性。

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  纳米纤维膜透气不透水实验

  在实验模具中,上层的水,漏不到纳米纤维膜的下层,水汽却能穿过膜到达上层。

  重庆交通大学绿色航空技术研究院副院长、绿色能源材料与智能制造研究所所长杨大祥介绍说,纳米纤维膜的孔径介于几十纳米到一百纳米,这个孔隙是介于空气分子和水雾分子之间的,所以水下不来,气出得去,所以气泡就能够很均匀地冒出来。

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  纳米纤维膜点燃实验

  试验中分别选用了三种材料

  其中,家用保鲜膜,耐高温约120℃,可以很明显地观察到,在明火靠近后,它持续燃烧、冒烟;而市面上正在应用的动力电池涂覆隔膜,耐高温约150℃,在明火靠近后冒烟且产生了微弱明火;而纳米纤维膜,耐高温约250℃,并没有燃烧,只是有轻微收缩。

  杨大祥解释说,明火的温度高达五六百度,所以纳米纤维膜略微有收缩,但是它是一种不可燃的材料。

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  不同韧度的纳米纤维膜

  杨大祥院长指着实验仪器中拉伸的纳米纤维膜告诉我们,20微米这么厚的薄膜,能够承受5到10兆帕的这个拉力。

  2018年,中国科协发布60个重大科学问题和重大工程技术难题,代表了我国科技领域真正的“硬骨头”,纳米纤维榜上有名。杨大祥团队便是致力于这一新材料在动力电池等领域的研发应用。

  杨大祥院长介绍,锂离子电池隔膜除了需要正负极绝缘外,还需要一种纳米多孔结构,让锂离子顺利地导通,同时,还要满足在电池隔膜里面对力学等综合性能的需求。

  隔膜,是动力电池的关键组件。它将正负两极分隔开,防止它们因直接接触而短路;在电化学反应时,保持必要的电解液,形成锂离子移动的通道。充电时,正极释放锂离子,锂离子通过电解液穿过隔膜,与负极的电子结合在一起。放电时,锂离子的运动方式正好相反,电子则由外部电路从负极到正极,与正极的锂离子结合,使锂电池向外输出电能。隔膜性能直接影响电池的容量、循环以及安全性等。当下主流的陶瓷涂覆隔膜,将纳米级陶瓷颗粒涂覆在电池隔膜上,以提高其性能。杨大祥团队则自主研发出“纺织”而成的纳米纤维隔膜。

  杨大祥院长带我们来到“纺织”纳米纤维膜的实验台,介绍到,纺丝液就是纺丝的原料,原料也就各类高分子材料。通过压力把纺丝液送到针头,给它施加高压静电,通常是从2万伏到10万伏。针头对面的滚筒,则是一个接地的低压,高压和低压之间形成一个高压电场,在这个电场力的作用下,把原料拉成了头发丝千分之一这么细的丝。

  我们现在看到的是一根针喷射成丝。实际上,在生产线上已经实现几十万个喷头同时喷射,到达滚轮的一瞬间,干燥或者冷却成固态丝,无规则交错堆叠,进而成膜,目前已经实现规模化生产,能做到一米五宽幅的膜,克重10-20克/㎡。

  三维多孔结构的纳米纤维隔膜,在性能上更进一步:不可燃、受力良好,避免隔膜因破裂等情况,导致电池燃爆;孔隙大而均匀,锂离子得以高效通过,充电更快。同时,这样的孔隙率还能附合更多电解质,提高电池能量密度,续航时间更长。

  杨大祥院长告诉我们,他们把纳米纤维膜经过裁剪,与正负极材料一起,组装成扣式电池,对它的综合性能进行测试,充放电循环五百次以后它的电池容量是基本不变的,以及它的寿命都有显著的提升。

  联手企业,杨大祥团队已经迈出纳米纤维隔膜材料的产业化步伐,在奉节县建立了示范生产线,实现了纳米纤维新材料规模化生产从0-1的突破,正式进入从1-100的推广应用。

  杨大祥院长透露,他们正在跟宁德新能源主要开发它对高性能电池,比如3C电池等领域的应用,跟赣锋锂业主要在开发固态电池的应用。希望能够加快它在电池行业产业级的应用。

  (来源:第1眼-重庆广电记者 陈瑾昱 王雄伟 李佳卓 特约记者 雷腾)