2022-05-19
鋰離子電池是智能手機和筆記本電腦等移動設備的主要儲能技術。最近對插電式混合動力汽車和電動汽車需求的增長引發了關于鋰離子電池技術是否足以滿足大眾市場的全面電氣化的討論。
鋰離子電池的結構
鋰離子電池由多孔的正負極組成，其中充滿電解液，并由隔膜隔開。正極（陰極）通常由鋰鈷氧化物或鋰錳氧化物構成。負極通常由石墨或其他碳基材料制成。電解液通常為含鋰鹽的有機溶劑，通常使用聚合物基電解質。電解液只允許鋰離子在陽極和陰極之間移動。隔膜是陽極和陰極之間的物理屏障。陰極和陽極決定了電池的性能，而電解液和隔膜則對電池的安全負責。
鋰離子電池不同部位的潤濕性已成為鋰離子電池生產、性能和安全性的關鍵問題之一。
電極材料的潤濕性
電極材料與電解質溶液的潤濕性是高性能鋰離子電池發展面臨的挑戰之一。
從小型電池到電動汽車的大規模應用對電池制造提出了重大挑戰。制造過程中的關鍵步驟之一是通過精密泵將電解液添加到多孔電極中。在這一步中，電解液應該滲透并填滿電極的孔隙。這一過程被稱為潤濕過程，在高溫下可能需要幾天時間，因為電極的潤濕性差，擴散距離長，以及氣體被困在孔隙內而阻礙擴散。這一漫長的過程會增加制造時間，同時也會增加制造成本。
此外，多孔電極的電解質潤濕不足，會導致電極內反應不規則，固體-電解質界面膜形成不穩定。這可能會惡化電池性能，并導致循環壽命變差。此外，不*潤濕使鋰金屬枝晶形成，這導致了嚴重的安全問題。未潤濕的活性物質也會導致電極容量利用率不足，增加電極電阻。
隔膜的潤濕性
隔膜是電池的關鍵組成部分，因為它被放置在正負極之間。它通過阻止兩個電極之間的物理接觸來防止電池短路，但同時允許鋰離子的流動。隔膜一直被認為是電池的非活性部件，但它的性能對電池的性能和安全性至關重要。
隔膜是極性相反的電極之間的多孔膜。多年來，人們使用了各種不同的隔膜材料，但今天的商用隔膜通常是由聚乙烯或聚丙烯等聚烯烴制成的。
電解液的潤濕性是鋰離子電池隔膜的關鍵特性，因為電解液的吸附對離子遷移至關重要。聚合物隔膜材料本身是疏水性的，對常規有機電解液的潤濕性不足。為了提高隔膜材料的潤濕性，人們考慮了不同的方法。這包括使用不同類型的涂層，例如靜電紡絲或原子層沉積(ALD)，以及制造復合隔膜。
力學法表面張力儀和光學法接觸角測量儀均可用于研究鋰離子電池的潤濕性。
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