चार नई लिथियम बैटरी विभाजक सामग्री से लिथियम बैटरी में बदलाव

लिथियम बैटरी के लिए एक प्रमुख सामग्री के रूप में, बैटरी विभाजक इलेक्ट्रॉनों को अलग करने में भूमिका निभाता है,सकारात्मक और नकारात्मक इलेक्ट्रोड के बीच प्रत्यक्ष संपर्क को रोकना और इलेक्ट्रोलाइट में लिथियम आयनों को स्वतंत्र रूप से गुजरने की अनुमति देनासाथ ही, अलगावकर्ता बैटरी के सुरक्षित संचालन को सुनिश्चित करने में भी महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है। . मेरे देश का लिथियम बैटरी सेपरेटर उद्योग तेजी से विकास के चरण में है, और गीले सेपरेटर धीरे-धीरे मुख्यधारा के तकनीकी मार्ग बन गए हैं।घरेलू अलगावकर्ताओं के समग्र तकनीकी स्तर और अंतरराष्ट्रीय प्रथम श्रेणी की कंपनियों के तकनीकी स्तर के बीच अभी भी बड़ा अंतर है।.

प्रौद्योगिकी विकास के क्षेत्र में, पारंपरिक पॉलीओलेफिन विभाजक अब लिथियम बैटरी की वर्तमान जरूरतों को पूरा नहीं कर सकते हैं।उच्च शक्ति, और इलेक्ट्रोलाइट के लिए अच्छी गीलापन भविष्य में लिथियम आयन बैटरी की विकास दिशा है।

लिथियम बैटरी के लिए एक प्रमुख सामग्री के रूप में, विभाजक इलेक्ट्रॉनिक अलगाव में एक भूमिका निभाता है,सकारात्मक और नकारात्मक इलेक्ट्रोड के बीच प्रत्यक्ष संपर्क को रोकना और इलेक्ट्रोलाइट में लिथियम आयनों को स्वतंत्र रूप से गुजरने की अनुमति देनासाथ ही, अलगावकर्ता बैटरी के सुरक्षित संचालन को सुनिश्चित करने में भी महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है।

विशेष परिस्थितियों में, जैसे दुर्घटनाएं, छिद्र, बैटरी दुरुपयोग आदि, विभाजक आंशिक रूप से क्षतिग्रस्त हो सकता है और सकारात्मक और नकारात्मक इलेक्ट्रोड के बीच प्रत्यक्ष संपर्क का कारण बन सकता है,जो बैटरी की एक हिंसक प्रतिक्रिया को ट्रिगर कर सकता है और बैटरी को आग लगने और विस्फोट करने का कारण बन सकता है.

इसलिए, लिथियम-आयन बैटरी की सुरक्षा में सुधार करने और बैटरी के सुरक्षित और सुचारू संचालन को सुनिश्चित करने के लिए, विभाजक को निम्नलिखित शर्तों को पूरा करना चाहिएः

1रासायनिक स्थिरताः इलेक्ट्रोलाइट्स और इलेक्ट्रोड सामग्री के साथ प्रतिक्रिया नहीं करता है

2गीलापनः इलेक्ट्रोलाइट के साथ गीला करने में आसान है और न तो खिंचाव करता है और न ही सिकुड़ता है

3थर्मल स्थिरताः उच्च तापमान का सामना करता है और उच्च फ्यूज अलगाव है

4यांत्रिक शक्तिः अच्छी तन्यता शक्ति यह सुनिश्चित करने के लिए कि शक्ति और चौड़ाई स्वचालित घुमाव के दौरान अपरिवर्तित रहे

5छिद्रणः आयनिक चालकता की आवश्यकताओं को पूरा करने के लिए उच्च छिद्र

वर्तमान में, बाजार पर विपणन किए जाने वाले लिथियम बैटरी विभाजक मुख्य रूप से पॉलीइथिलीन (पीई) और पॉलीप्रोपाइलीन (पीपी) पर आधारित माइक्रोपोरोस पॉलीओलेफिन विभाजक हैं।इस प्रकार के अलगावकर्ता इसकी कम लागत पर निर्भर करता है, अच्छा यांत्रिक गुण, और उत्कृष्ट यह व्यापक रूप से लिथियम बैटरी विभाजक में इसका उपयोग रासायनिक स्थिरता और इलेक्ट्रोकेमिकल स्थिरता जैसे लाभों के कारण किया जाता है।

हालांकि, पोलियोलेफिन सामग्री की ही थर्मोफोबिक सतह और कम सतह ऊर्जा के कारण, इस प्रकार के विभाजक में इलेक्ट्रोलाइट के लिए खराब गीलापन होता है, जो बैटरी के चक्र जीवन को प्रभावित करता है.

इसके अतिरिक्त, चूंकि पीई और पीपी के थर्मल विरूपण तापमान अपेक्षाकृत कम हैं (पीई का थर्मल विरूपण तापमान 80-85°C और पीपी का 100°C है),जब तापमान बहुत अधिक होता है तो विभाजक तीव्र थर्मल सिकुड़ता है, इसलिए इस प्रकार का विभाजक उच्च तापमान वाले वातावरण में उपयोग के लिए उपयुक्त नहीं है।पारंपरिक पॉलीओलेफिन विभाजक आज के 3C उत्पादों और पावर बैटरी की आवश्यकताओं को पूरा नहीं कर सकते हैं.

लिथियम आयन बैटरी प्रौद्योगिकी की विकास आवश्यकताओं के जवाब में, शोधकर्ताओं ने पारंपरिक पॉलीओलेफिन विभाजक के आधार पर विभिन्न नई लिथियम बैटरी विभाजक सामग्री विकसित की हैं।गैर बुना हुआ अलगाव मशीनों का उपयोग गैर बुना हुआ तरीकों के लिए एक फाइबर जाल संरचना बनाने के लिए दिशा या बेतरतीब ढंग से फाइबर व्यवस्थित करने के लिए, और फिर एक फिल्म बनाने के लिए झिल्ली को मजबूत करने के लिए रासायनिक या भौतिक तरीकों का उपयोग करें, ताकि इसमें अच्छी वायु पारगम्यता और तरल अवशोषण दर हो।

गैर बुने हुए झिल्ली के निर्माण में प्राकृतिक और सिंथेटिक सामग्री का व्यापक रूप से उपयोग किया गया है। प्राकृतिक सामग्री में मुख्य रूप से सेल्युलोज और इसके डेरिवेटिव शामिल हैं।सिंथेटिक सामग्री में पॉलीएथिलीन टेरेफ्थालेट (पीईटी) शामिल है, पॉलीविनाइडिन फ्लोराइड (पीवीडीएफ), पॉलीविनाइडिन फ्लोराइड (पीवीडीएफ), विनाइडिन फ्लोराइड-हेक्साफ्लोरोप्रोपाइलीन (पीवीडीएफ-एचएफपी), पॉलीआमाइड (पीए), पॉलीमाइड (पीआई), अरमाइड (मेटा-अरमाइड, पीएमआईए; पैरा-अरमाइड पीपीटीए), आदि.

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पॉलीएथिलीन टेरेफ्थालेट

पॉलीएथिलीन टेरेफ्थालेट (पीईटी) उत्कृष्ट यांत्रिक गुणों, थर्मोडायनामिक गुणों और विद्युत इन्सुलेशन गुणों के साथ एक सामग्री है।पीईटी विभाजक का सबसे प्रतिनिधि उत्पाद जर्मनी की Degussa कंपनी द्वारा विकसित एक समग्र झिल्ली है, जो पीईटी विभाजकों पर आधारित है और सिरेमिक कणों से लेपित है। यह 220 डिग्री सेल्सियस तक के बंद सेल तापमान के साथ उत्कृष्ट गर्मी प्रतिरोध प्रदर्शित करता है।

सियांगटन विश्वविद्यालय के ज़ियाओ क़िज़ेन और अन्य (2012) ने पीईटी नैनोफाइबर सेपरेटर तैयार करने के लिए इलेक्ट्रोस्पिनिंग विधि का इस्तेमाल किया।निर्मित नैनोफाइबर सेपरेटर में एक त्रि-आयामी छिद्रित नेटवर्क संरचना होती है, औसत फाइबर व्यास 300nm है, और सतह चिकनी है।

इलेक्ट्रोस्पून पीईटी विभाजक का पिघलने का बिंदु पीई फिल्म की तुलना में बहुत अधिक है, जो 255°C है, अधिकतम तन्यता शक्ति 12Mpa है, छिद्रता 89% तक पहुंचती है,तरल पदार्थ अवशोषण दर 500% तक पहुँच जाती है, जो बाजार में सेलगार्ड विभाजक से बहुत अधिक है, और आयनिक चालकता 2.27×10-3Scm-1 तक पहुंचती है, और चक्र प्रदर्शन भी सेलगार्ड विभाजक की तुलना में बेहतर है।बैटरी चक्र के 50 चक्रों के बाद पीईटी विभाजक के छिद्रित फाइबर संरचना स्थिर बनी हुई है, जैसा कि (क) में दिखाया गया है।

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पोलीमाइड

पॉलीमाइड (पीआई) भी अच्छे व्यापक गुणों वाले बहुलक में से एक है। इसमें उत्कृष्ट थर्मल स्थिरता, उच्च छिद्रशीलता और उच्च तापमान प्रतिरोध है।और -200 से 300°C पर लंबे समय तक इस्तेमाल किया जा सकता है.

मियाओ एट अल (2013) ने पीआई नैनोफाइबर सेपरेटर बनाने के लिए इलेक्ट्रोस्पिनिंग का इस्तेमाल किया। सेपरेटर का अपघटन तापमान 500°C है, जो पारंपरिक सेलगार्ड सेपरेटर से 200°C अधिक है।जैसा कि नीचे चित्र में दिखाया गया है, 150°C के उच्च तापमान की परिस्थितियों में उम्र बढ़ने और थर्मल सिकुड़ने की घटना नहीं होगी।

दूसरे, पीआई की मजबूत ध्रुवीयता और इलेक्ट्रोलाइट के लिए इसकी अच्छी गीलापन के कारण, निर्मित विभाजक में उत्कृष्ट तरल अवशोषण दर दिखाई देती है।इलेक्ट्रोस्पिनिंग द्वारा निर्मित पीआई विभाजक में सेलगार्ड विभाजक की तुलना में कम प्रतिबाधा और उच्च दर प्रदर्शन है0.2°C पर चार्ज और डिस्चार्ज के 100 चक्रों के बाद भी क्षमता प्रतिधारण दर 100% है।

(क) सेलगार्ड, पीआई 40μm और 100μm सेपरेटरों का 150°C पर उपचार (ए, बी, सी) से पहले और (डी, ई, एफ) के बाद गर्मी सिकुड़ना; (ख) दर परीक्षण

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मेटा-अरामीड

पीएमआईए एक सुगंधित पॉलीआमाइड है जिसकी कंकाल पर मेटा-एनिलिन शाखाबद्ध श्रृंखलाएं हैं और इसका ताप प्रतिरोध 400 डिग्री सेल्सियस तक है। इसके उच्च लौ retardant गुणों के कारण,इस सामग्री का उपयोग करने वाले विभाजक बैटरी के सुरक्षा प्रदर्शन में सुधार कर सकते हैं.

इसके अतिरिक्त, कार्बोनिल समूह की अपेक्षाकृत उच्च ध्रुवीयता के कारण, विभाजक में इलेक्ट्रोलाइट में उच्च गीलापन है, जिससे विभाजक के विद्युत रासायनिक गुणों में सुधार होता है।

आम तौर पर, पीएमआईए विभाजक गैर-टक्टील विधियों जैसे कि इलेक्ट्रोस्पिनिंग द्वारा निर्मित होते हैं। हालांकि, गैर-टक्टील विभाजक में निहित समस्याओं के कारण, जैसे कि बड़े छिद्रों के आकार,स्व-निर्वहन बैटरी के सुरक्षा प्रदर्शन और विद्युत रासायनिक प्रदर्शन को प्रभावित करेगाइससे गैर-टक्टील विभाजकों के उपयोग को कुछ हद तक सीमित किया जाता है, लेकिन चरण विवर्तन विधि की बहुमुखी प्रतिभा और नियंत्रण क्षमता के कारण व्यावसायिक संभावनाएं हैं।

झेजियांग विश्वविद्यालय (2016) के जू बाओकू टीम ने चरण उलट विधि के माध्यम से एक स्पंज जैसे पीएमआईए विभाजक का निर्माण किया, जैसा कि चित्र में दिखाया गया है।90% छिद्रों का आकार माइक्रोन से कम है, और तन्यता शक्ति 10.3Mpa तक है।

चरण विवर्तन विधि द्वारा निर्मित पीएमआईए विभाजक में उत्कृष्ट थर्मल स्थिरता है। तापमान 400°C तक बढ़ने पर कोई स्पष्ट द्रव्यमान हानि नहीं होती है।160°C पर 1 घंटे के उपचार के बाद विभाजक सिकुड़ता नहीं है.

मजबूत ध्रुवीय कार्यात्मक समूहों के कारण, पीएमआईए विभाजक का संपर्क कोण छोटा है, केवल 11.3° और स्पंज जैसी संरचना इसे तरल पदार्थ को जल्दी अवशोषित करने की अनुमति देती है,जो विभाजक के गीलेपन प्रदर्शन में सुधार करता है, बैटरी के सक्रियण समय को कम करता है, और लंबे चक्रों को स्थिर करता है।

इसके अतिरिक्त, पीएमआईए विभाजक की स्पंज जैसी संरचना के अंदर परस्पर जुड़े छिद्रित संरचना के कारण, लिथियम आयनों को इसके अंदर सुचारू रूप से प्रेषित किया जा सकता है,तो चरण उलट विधि द्वारा निर्मित विभाजक की आयनिक चालकता 1 के रूप में उच्च है.51mS ̇ सेमी-1.

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पॉलीपाराफेनिलेनबेंजोडियाज़ोल

नई पॉलिमर सामग्री पीबीओ (पॉलीफेनिलेनबेंजोडियाज़ोल) उत्कृष्ट यांत्रिक गुणों, थर्मल स्थिरता और लौ retardance के साथ एक कार्बनिक फाइबर है।इसका मैट्रिक्स एक रैखिक श्रृंखला संरचना वाला बहुलक है जो 650°C से नीचे विघटित नहीं होता हैइसकी अति-उच्च शक्ति और मॉड्यूलस है और यह एक आदर्श गर्मी प्रतिरोधी और प्रभाव प्रतिरोधी फाइबर सामग्री है।

क्योंकि पीबीओ फाइबर की सतह बेहद चिकनी और भौतिक और रासायनिक रूप से निष्क्रिय है, फाइबर के रूप को बदलना मुश्किल है। पीबीओ फाइबर केवल 100% केंद्रित सल्फ्यूरिक एसिड में घुलनशील है,मेथिलसल्फ़ोनिक एसिड, फ्लोरोसल्फोनिक एसिड आदि। मजबूत एसिड उत्कीर्णन के बाद, पीबीओ फाइबर पर फाइब्रिल मुख्य ट्रंक से अलग हो जाएगा, एक विभाजित फिलामेंट आकृति का गठन,जो अनुपात में सुधार करता है सतह क्षेत्र और इंटरफेस बंधन शक्ति.

(a) पीबीओ फाइब्रल्स; (b) पीबीओ नैनोफाइबर झिल्ली संरचना

हाओ शियाओमिंग एट अल. (2016) ने नैनोफाइबर बनाने के लिए पीबीओ फाइब्रल्स को भंग करने के लिए मेथेनसल्फोनिक एसिड और ट्राइफ्लोरोएसीटिक एसिड के मिश्रित एसिड का इस्तेमाल किया।और फिर एक पीबीओ नैनोपोरस विभाजक को चरण उलट विधि के माध्यम से तैयार किया.

विभाजक की अंतिम शक्ति 525 एमपीए तक पहुंच सकती है, यंग मॉड्यूल 20 जीपीए है, थर्मल स्थिरता 600 डिग्री सेल्सियस तक पहुंच सकती है, विभाजक का संपर्क कोण 20 डिग्री है,जो Celgard2400 विभाजक के 45° संपर्क कोण से छोटा है, और आयनिक चालकता 2.3×10- 4S·cm-1 है, जो 0.1C चक्र स्थितियों में वाणिज्यिक Celgard2400 विभाजक से बेहतर प्रदर्शन करता है।

पीबीओ फाइबर की कठिन विनिर्माण प्रक्रिया के कारण, दुनिया भर में केवल कुछ ही कंपनियां हैं जो उच्च गुणवत्ता वाले पीबीओ फाइबर का उत्पादन करती हैं, और वे सभी मोनोमर बहुलकरण का उपयोग करती हैं।उत्पादित पीबीओ फाइबरों को मजबूत एसिड उपचार की आवश्यकता होती है और उन्हें लिथियम बैटरी विभाजक के क्षेत्र में लागू करना मुश्किल होता है।.

हानयांग विश्वविद्यालय के यंगमोली टीम (2016) ने थर्मल पुनर्गठन के माध्यम से एक टीआर-पीबीओ नैनोफाइबर कम्पोजिट विभाजक तैयार करने के लिए एचपीआई (हाइड्रोक्सीपोलीमाइड) नैनोकणों का उपयोग किया।उच्च शक्ति और उच्च गर्मी प्रतिरोध के अलावा पीबीओ सामग्री स्वयं, विभाजक फायदे के अलावा, छिद्र आकार वितरण अधिक केंद्रित है, छिद्र आकार छोटा है, और इसे मजबूत एसिड और क्षार परिस्थितियों में तैयार करने की आवश्यकता नहीं है।