Сепараторы для литий-ионных аккумуляторных батарей из пористого фторопласта и сверхвысокомолекулярного полиэтилена

ТУ 22.21-026-27408634-2021

Пористые сепараторы внутри аккумуляторной батареи применяются для разделения положительных и отрицательных электродов для избегания короткого замыкания путем пропускания только положительно заряженных ионов и задержки электронов. Сепаратор должен обладать свойствами диэлектрика. Тип сепаратора определяется химией аккумуляторной батареи и требуемыми показателями данной батареи.

Современные сепараторы для литий-ионных батарей представляют собой микропористые пленки из различных материалов, стойких для работы в особо агрессивных средах. Если говорить о полимерах, то наибольшее распространение в настоящее время получили сепараторы из таких полимеров, как полипропилен, полиэтилен в комбинации с полипропиленом или химстойким покрытием, а также слоистые композиты из этих материалов.

Технология их достаточно сложна, и в экстремальных условиях эксплуатации (выше 140 °C и при низких температурах, так как полипропилен не морозостоек) их эксплуатация невозможна. За рубежом ведущие предприятия предлагают различные сепараторы, выдерживающие экстремальные условия эксплуатации. В основном это высокотехнологичные и дорогие туннельные пористые мембраны, покрытые химстойкими материалами, и полимерные мембраны, стойкие к высокоагрессивным средам. В России такие мембраны не производятся.

На нашем предприятии сделана попытка разработки таких сепараторов. Для этого были разработаны твердофазная технология получения микро- и нанопористых тончайших полимерных пленок и лент из лучших диэлектрических, термостойких в широком диапазоне высоких и низких температур и исключительно химстойких полимерных материалов — фторопласта и сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ).

Использовались как твердофазные, так и «мокрые» технологии, разработанные в лаборатории нашего предприятия. В основе твердофазной технологии лежит пластическая деформация (вытяжка) полимерной пленки из полимера с предварительной структурной перестройкой, дающей возможность эффективно получить пористые структуры.

В основе «мокрой» технологии лежит вытяжка пленки с такой же предварительной структурной перестройкой, только не на воздухе, а в поверхностно-активной жидкой среде. Нам представляется, что это самые эффективные и экономически выгодные технологии получения макро-, микро- и нанопористых полимерных мембранных материалов.

Пористые мембраны могут выпускаться как в гидрофобном, так и гидрофильном варианте со специальными добавками. К сожалению, на полипропилене эти технологии не опробованы.

Физико-механические параметры образцов сепараторов из Ф-4 и СВМПЭ приведены в таблице 1.

Материалы / Показатели	Ф-4	СВМПЭ
Прочность при растяжении в продольном направлении, кг/см2	600–1200	800–6000
Относительное удлинение при разрыве в продольном направлении, %	Не более 50	Не более 50
Пористость, %	Не менее 40	Не менее 30
Средний размер пор, мкм	0.03–0.3	0.01–0.03
Толщина, мм	0.02 – 1,5	0.02 – 1,5

Фото ленты из Ф-4, полученной по нашей технологии, с участками до деформирования (слева) и после, и структуры микропористой части ленты.

Полученные пористые мембраны требуют натурных испытаний в различных типах батарей и в различных условиях эксплуатации.