
基于目前鋰離子電池行業高能量密度、長續航里程、高安全、輕量化的要求,四大主材隔膜選材中,芳綸涂層隔膜的優勢脫穎而出,尤其以對位芳綸涂層隔膜的優勢最為顯著。
眾所周知,對位芳綸是一種芳香族聚酰胺,英文名稱poly-p-phenylene terephthamide,簡稱PPTA,我國也稱芳綸-Ⅱ或芳綸1414,分子鏈呈剛性,是一種高強度、高耐熱性材料,其玻璃化溫度在300℃以上,連續使用溫度范圍為-196℃~204℃,熱分解溫度高達560℃,具有良好的阻燃性;比強度是鋼的5倍,應用在軍工、航空等領域,應用領域較廣。其制品尺寸穩定性極佳,且對位芳綸具有優異的化學穩定性及耐化學腐蝕特性。由其取向制備成的對位芳綸纖維具有高強高模等優異的力學性能,因此對位芳綸是一種有效的解決鋰離子電池隔膜耐熱隱患的材料。
將對位芳綸涂覆在現有的濕法隔膜上,可以產生諸多有益效果:1、面密度低,相比于陶瓷涂層,面密度可降低50%以上,有效提高電池的質量能量密度;2、耐熱性好,破膜溫度超過300℃,在基膜熔融后仍能保持剛性結構,防止電池過熱導致的熱失控;3、電解液浸潤性好,能夠有效吸附電解液,涂層隔膜的電解液接觸角<5℃,明顯優于陶瓷和PVDF涂層隔膜。4、具有良好的絕緣性及耐高電壓擊穿能力。
與間位芳綸涂層隔膜不同,對位芳綸應用于隔膜涂覆,仍有許多難點亟待解決:市售對位芳綸多為纖維或漿粕,已經形成穩定的結構,將其直接涂覆于隔膜上,無法實現耐熱改善的效果;如果要將纖維溶解,則只能用高純硫酸加熱溶解,同樣無法用于隔膜涂覆。
少數科研院所掌握了單釜合成的技術,但其批次穩定性遠不能滿足電池級材料的性能需求及工程能力需求。
對位芳綸溶液可穩定存儲的時間很短,合成后就會凝膠或從溶液中直接析出,無法用于涂覆,必須在聚合結束后迅速涂覆、造孔、定型,才能得到均勻穩定的對位芳綸涂覆隔膜,即聚合-涂覆一體化技術。
河北金力新能源科技股份有限公司(以下簡稱“金力股份”)自成立以來,堅持以自主研發創新發展為基礎,產學研相結合的模式,從未停止新技術開發的步伐,在不斷創新技術積累下,2017年自主完成間位芳綸涂層膜的開發,成為國內首家具有芳綸涂層產品量產能力的公司,隨后在2019年開始進行對位芳綸合成涂覆一體化技術的研究。
金力股份在2022年與清華大學展開合作開發“對位芳綸/聚烯烴復合鋰離子電池隔膜制備技術”,獲得清華大學:一種對位芳綸納米纖維復合鋰離子電池隔膜的制備方法,ZL201710596374.8;聚對苯二甲酰對苯二胺高濃度連續穩定聚合方法及其系統,ZL201810647812.3;一種對位芳綸樹脂連續聚合系統及其方法,ZL20181143341.2三篇發明專利的使用授權。
通過與清華大學在對位芳綸合成技術方面的合作,金力股份連續聚合擠出工藝,克服了單釜合成的批次差異性問題;通過設備設計、工藝調控、配方優化、涂層適配等研究開發,建立起了一條適合公司發展的技術路線。
歷經一年多時間的建設,金力股份于2023年初完成對位芳綸合成線體的建設并投產,時至今日產線已具有百噸級的合成芳綸樹脂年產能輸出,可匹配雙面涂覆產能5000萬平方米隔膜,從而實現了完備的從合成端至隔膜產品端的一體化生產能力。目前國內同行業不具備該合成、制膜技術,市面無同類產品。對位芳綸隔膜具有比較好的穩定性,熱失重穩定性較好,已經打造出了適用于金力股份技術路線的產業鏈。

金力股份多年芳綸產品的開發已為其涂覆工藝積聚無數寶貴的經驗,與清華大學的合作更為其對位芳綸涂層產品的產業化提供助力。所生產產品性能遠優于市場產品,為輕量化、能量密度高提供了安全保障。在研發團隊的不懈努力下,金力股份于2023年下半年成功研制出高耐熱對位芳綸產品,可實現250℃超高溫度下收縮低至5%以內,高溫烘烤后隔膜能保持完整的狀態。產品呈現出很高的破膜溫度,橫縱向均高于300℃,極大地滿足了高安全隔膜的使用要求,可有效匹配高能量密度電池體系,金力股份高耐熱對位芳綸產品的成功研制,標志著對位芳綸高端隔膜產品實現了國產化。

基于前端合成芳綸樹脂產品穩定可控的優勢,金力股份同步進行了對位芳綸應用在納米纖維絕緣紙、對位芳綸薄膜、對位芳綸紡絲纖維等領域的開發。
其中,對位芳綸絕緣紙產品采用純對位芳綸納米纖維制成,紙張厚度分布均勻,粘結性強,常規絕緣紙厚度45μm,面密度≥40g/m2;開發的超薄絕緣紙產品,最低厚度可達10μm;對位芳綸納米纖維也可作為單獨的添加劑,用以增強復合材料的耐熱性和粘結力等性能。

針對對位芳綸成品加工性差、只能用濃硫酸溶液紡絲制備連續相產品的難點,金力股份以對位芳綸聚合材料為基礎,通過調整聚合溶液狀態和加工工藝,制備出純對位芳綸薄膜。該產品形成連續穩定的膜結構,適合工業化連續生產,可開發單一取向或無取向薄膜,單一取向薄膜拉伸強度最高可達10GPa;

通過開發高粘度對位芳綸聚合工藝,金力股份開發出對位芳綸紡絲纖維產品,搭建對位芳綸紡絲纖維研發與測試平臺,助力公司芳綸系列產品多元化發展。


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