电池研究的最新成果

复合锂离子电池隔膜国内外主要研究成果纵览

作者：陈观福寿 黄斌香

来源：《新材料产业》 2012年第5期

■ 文/陈观福寿 黄斌香

上海市凌桥环保设备厂有限公司

锂离子电池是一种有潜力的电动汽车和混合电动车用能源[1]，具有高比能量、长循环寿命、无记忆效应、安全、可靠且能快速充放电等优点，因而成为近年来新型电源技术研究的热点。隔膜作为锂离子电池的核心组成部件，其性能对电池的安全性能及电化学性能有重要影响[2]。目前常用的锂离子电池隔膜材料主要有聚丙烯和聚乙烯单层微孔膜，以及它们的多层复合微孔膜，然而，该类隔膜因孔隙率低、吸液率低等因素，影响电池性能的发挥[3]。

以聚烯烃等热塑性树脂为原料填充无机颗粒，或以聚烯烃隔膜为基膜与其他高聚物隔膜复合改性的复合隔膜作为锂离子电池隔膜改性研究的一个重要方向，越来越引起相关科研学者的重视。

一、锂离子电池隔膜的性能要求

电池隔膜最主要的功能是电子绝缘离子导通，即阻止正负电极的电子接触，但是离子可以自由通过。隔膜性能的优劣决定锂离子电池的内部界面结构和内阻大小，进而影响电池容量、循环性能、充放电电流密度等关键特性，可见，性能优异的隔膜对提高电池的综合性能有重要作用。以下是锂离子电池隔膜的几个主要性能指标：

1.厚度

对于动力电池来说，由于装配过程的机械要求，往往需要更厚的隔膜，而厚一些的隔膜往往同时意味着更好的安全性。

2.力学性能

隔膜的力学性能是影响电池应用的一个重要因素。如果隔膜破裂，就会发生短路，降低电池的成品率，因此，要求隔膜在电池组装和充放电使用过程中具有一定的机械强度。隔膜的机械强度可用拉伸强度和抗穿刺强度来衡量。

(1)拉伸强度

隔膜的拉伸强度与制膜工艺相关联。采用单轴拉伸，膜在拉伸方向上的强度与垂直方向不同；而采用双轴拉伸时，隔膜在水平与垂直2个方向上的拉伸强度一致性会相近。一般，隔膜的拉伸强度要求纵向强度达到100MP a以上，横向强度不能太大，否则会导致横向收缩率增大，而这种收缩会加大锂离子电池正、负极接触的概率。

电池技术的新发展

随着电子产品与新能源汽车的不断普及，电池及其技术的重要性受到越来越多的关注。传统电池虽然便携，但能量密度低，使用寿命短，环保性也较差。因此，近年来，人们对电池技术的研发与创新持续不断，以期取得更加优秀的性能与体验。

一、锂离子电池技术的进步

锂离子电池是目前市场上应用最广泛的电池之一。与传统的镉镍电池和铅酸蓄电池相比，锂离子电池具有更高的能量密度和更长的使用寿命，同时在环保性方面也有着明显的优势。然而，锂离子电池还存在一些诸如过热易爆炸、寿命不足等问题，限制了其在大容量应用中的发展。

现在，一些新型的锂离子电池正在不断涌现，开发出了更高性能、更安全、更环保的产品。比如说，磷酸铁锂电池（LiFePO4）能够更好地抵抗过充、过放和高温，且使用寿命更长，成为一些电动汽车制造商的首选电池类型。

此外，锂金属电池、锂硫电池、锂空气电池等新型锂离子电池也在世界各地的研究机构和制造商中得到广泛研究和尝试，或是以纳米级别控制电极结构以提高电池性能，或是通过新的电解质或添加剂来改善电池的性能。这些新型锂离子电池在未来应用于消费类电子、新能源汽车、航空航天和物联网等领域的潜力巨大。

二、固态电池技术的崛起

除了锂离子电池的改进，固态电池技术也是近年来备受瞩目的领域。固态电池不使用液态电解质，而是使用了固态的电解质代替。它们不仅具有高能量密度和长寿命等传统锂离子电池的优点，更有可大幅度缩小电池尺寸，提高安全性，抵御极端温度等特点。

目前，日本的电力公司固电子、美国的SolidEnergy Systems、中国的曙光股份等企业已经研制出了各自的固态电池技术，并有望将其应用于消费类电子、新能源汽车等领域。据报道，这些固态电池的能量密度已经达到了900Wh/L，相较于传统锂离子电池能量密度提升了3倍以上。

然而，固态电池技术的发展仍面临着诸多挑战，例如制造难度大、成本高、充放电效率等问题。如何解决这些问题将是下一步固态电池技术研究的重点。

第２８卷第６期　２０１０年ｌ２月　轻工机糖　Ｌｉｇｈｔ　Ｉｎｄｕｓｔｒｙ　Ｍａｃｔｄｎｅｒｙ　Ｖｏ１．２８　Ｎｏ．６　Ｄｅｃ．２０１０　［综述・专论］　ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００５—２８９５．２０１０．０６．００１　涸渣略鳆　威　最沥　瘸　沈英鸷　，鲍荣浩　・　（１．浙江大学航空航天学院，浙江杭州３１００２７；　２．澳大利亚新南威尔士大学机械系，悉尼ＮＳＷ　２０５２）　摘要：工程材料的接触过程中，微观上真正的接触并不是在物体表面上，而是存在于一些称为粗糙峰的不连续区域中。　粗糙峰的性质决定了工程材料接触性质。传统的粗糙峰的研究由于手段的单一，有着五个基本假设，而近年来随着研究　方法的丰富，特别有限元方法的引入使得粗糙峰的研究能够考虑更多的因素，传统的假设也被研究者考虑。文章在回顾　了传统粗糙峰模型的同时综述了现在粗糙表面接触中研究中最新的热点：粗糙峰相互影响和圆柱形粗糙峰的研究。图　２表１参１８　关键词：摩擦学；表面接触；有限元方法；粗糙峰　中图分类号：ＴＧ１７６　文献标志码：Ａ　文章编号：１００５－２８９５（２０１０）０６－０００１－０４　Ａｄｖａｎｃｅｓ　ｉｎ　Ｓｔｕｄｉｅｓ　ｏｎ　Ａｓｐｅｒｉｔｙ　Ｐｅａｋ　Ｃｏｎｔａｃｔｓ　ＳＨＥＮ　Ｙｉｎｇ—ｚｈｉ‘．ＢＡＯ　Ｒｏｎｇ—ｈａｏ　（１．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ　ａｎｄ　Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ，Ｚｈｅｊｉａｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ　３　１　００２７，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ａｎｄ　Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｔｈｅ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｎｅｗ　Ｓｏｕｔｈ　Ｗａｌｅｓｓｙｄｎｅｙ，Ｓｙｄｎｅｙ　ＮＳＷ　２０５２，Ａｕｓｔｒａｌｉａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｏｎｔａｃｔ　ｏｆ　ｒｏｕｇｈ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｉｎ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　ｏｃｃｕｒｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｄｉｓｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ　ｒｅｇｉｏｎｓ　ｃａｌｌｅｄ　ａｓｐｅｒｉｔｙ　ｐｅａｋ．　Ｓｏ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔａｃｔ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ｄｅｐｅｎｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｐｒｏｐｍ￣ｔｉｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ａｓｐｅｒｉｔｙ　ｐｅａｋ．Ｔｈｅｒｅ　ａｒｅ　ｆｉｖｅ　ｂａｓｉｃ　ａｓｓｕｍｐｔｉｏｎｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　ａｓｐｅｒｉｔｙ　ｐｅａｋ，ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ　ｏｆ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｒｅｃｅｎｔｌｙ，ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ　ｔｈｅ　ｕｓｅ　ＦＥＭ，ｍａｋｅｓ　ｔｈｅ　ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　ａｓｐｅｒｉｔｙ　ｐｅａｋ　ｂｅ　ａｂｌｅ　ｔｏ　ｃｏｎｓｉｄｅｒ　ｍｏｒｅ　ｆａｃｔｏｒｓ　ａｓ　ｗｅｌｌ　ａｓ　ｔｈｅ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ａｓｓｕｍｐｔｉｏｎｓ．Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｒｅｖｉｅｗｅｄ　ｔｈｅ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ａｓｐｅｒｉｔｙ　ｐｅａｋ　ｍｏｄｅｌ　ａｎｄ　ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ　ｔｈｅ　ａｄｖａｎｃｅｄ　ｈｏｔｔｅｓｔ　ｔｈｅｍｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ａｓｐｅｒｉｔｙ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｃｏｎｔａｃｔ：ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ａｓｐｅｒｉｔｙ　ｐｅａｋ　ａｎｄ　ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ　ａｓｐｅｒｉｔｙ　ｐｅａｋ．［Ｃｈ，２　ｎｇ．１　ｔａｂ．１８　ｒｅｆ．］　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｔｒｉｂｏｌｏｇｙ；ｓｕｒｆａｃｅｓ　ｃｏｎｔａｃｔｓ；ＦＥＭ；ａｓｐｅｒｉｔｙ　０　引言　工程应用中的粗糙接触问题是非常常见的。当任　意２个面相互接触的时候，粗糙的表面使得实际接触　发生并不是在整个表面一ｋ，而是在一些不连续的区域　中，这些区域被称为粗糙峰　。这些粗糙峰的粘连和　其他一些方式的相互作用共同构成了摩擦力　。接　触面反复的作用，表面和亚表面之间反复的受力，不断　的发展，使得表面的粗糙颗粒最终变形，磨损，直至最　终表面遭到破坏　ｊ。而最大接触压力，真实接触面　积，表面与亚表面之间的应力的共同发展，造成的材料　的摩擦力和两个接触面的磨损，而这些也是材料粗糙　度，材料性质和接触性质　。接触问题十分很重要，　微观上看，所有机械传动中，零部件表面的接触都是粗　糙表面接触。而粗糙峰的研究也很重要，一方面它是　粗糙接触的基础，另一方面在一些精度要求高的情况　下，粗糙峰是必须考虑的，例如阿波罗号宇宙飞船的密　封门，就是正确设计了密封接触面的粗糙峰形状及尺　寸，才满足了密封要求　ｊ。　１　粗糙峰经典理论　对经典理论影响最大之一是弹性Ｈｅｒｔｚ解　。图　１是Ｈｅｒｔｚ解的示意图。　Ｈｅｒｔｚ解研究了弹性阶段的球体接触，并得到了峰　收稿日期：２０１０—０４—１４；修回日期：２０１０－０７￣７　作者简介：沈英鸷（１９８４），男，重庆人，浙江大学航空航天学院硕士研究生，主要研究方向为摩擦学中的粗糙接触。Ｅ－ｍａｉｌ　ｓｈｅｎｙｚ＠ｚｊｕ．ｅｄｕ．ｃ

电池专利分析报告

2012-2-29

1 总体发展趋势

1.1 申请量年度趋势分析

专利数量是技术产出的直接反映。通过揭示历年专利申请情况，可以了解该行业的技术发展情况和所处阶段，并预测未来发展趋势，可协助企业评估此时或未来是否应积极投入研发。

上图显示了目标技术领域内总体申请量变化趋势。专利数量较少的时期为该技术的起步阶段；专利数量大幅度提升的为成长阶段；专利数量继续增加的为成熟阶段；专利数量维持不变的为停滞期；申请量开始降低的阶段为下降期。

1.2 公开量年度趋势分析

通过揭示历年专利公开情况，了解该行业的技术发展情况并预测未来发展趋势。

上图显示了目标技术领域内总体公开量变化趋势。

1.3 产出规模指数预警

通过揭示目标技术领域内最近6年专利数量相对增长变化情况，了解不同时期技术研发的重点和方向，给企业预测该技术领域未来发展趋势提供依据。

时间 专利数量 比上月增长 与近6年年均增幅比较 与整体年均增幅比较

2012 920 -78.8% 上升 上升

2011 4340 33.66% 上升 上升

2010 3247 36.43% 上升 上升

2009 2380 12.69% 上升 上升

2008 2112 36.52% 上升 上升

2007 1547 9.87% 上升 上升

上表显示了发明公开专利近6年专利的产出数量情况。一些年份的专利产出增幅高于/低于近6年年均增幅，且高于/低于整体年均增幅。

1.4 产出质量指数预警

由于发明专利的创造性水平要高于实用新型专利和外观专利，因此一般来说发明专利的申请数量是专利质量的最好体现。通过揭示目标技术领域内最近6年专利类型比重和有效专利比重的相对增长变化情况，可以更好地了解不同时期内技术研发的重点和方向，预测该技术领域未来的发展趋势。

时间 专利数量 占同期全部专利比重

比重比上月增长幅度 与近6年年均增幅比较 与整体年均增幅比较

2012 920 53.74% 13.92% 上升 上升