В алюминиево-пластиковой пленке, используемой для литий-ионных аккумуляторов, наиболее распространенным выбором для внутреннего слоя являются полипропиленовые трубки с сердечником, в первую очередь CPP.ПЭ сердечниковые трубыпрактически не используются.
Основная причина заключается в том, что трубы с сердечником из ПП превосходят трубы с сердечником из PE по стойкости к электролиту, устойчивости к высоким температурам, прочности термосваривания, а также устойчивости к набуханию и коррозии. Эти свойства делают ПП более подходящим для строгих требований безопасности и срока службы, предъявляемых к литий-ионным батареям.
Типичная структура алюминиево-пластиковой пленки
Типичная структура алюминиево-пластмассовой пленки для литий-ионных аккумуляторов состоит из нескольких функциональных слоев. Каждый слой вносит свой вклад в общие барьерные характеристики, механическую защиту и термосвариваемость пленки.
| Слой | Типичная толщина | Функция |
|---|---|---|
| ДОМАШНИЙ ПИТОМЕЦ | 6 мкм | Внешний защитный слой |
| Клей внешнего слоя | 3 мкм | Соединительный слой |
| Нью-Йорк | 15 мкм | Механический опорный слой |
| Клей внешнего слоя | 3 мкм | Соединительный слой |
| АЛ | 40 мкм | Металлический барьерный слой |
| Клей внутреннего слоя | 3 мкм | Соединительный слой |
| CPP | 80 мкм | Внутренний термосвариваемый слой |
1. Недостаточная электролитная резистентность и риск отека.
Основная функция алюминиево-пластмассовой пленки в литий-ионных аккумуляторных элементах — инкапсулировать элемент и изолировать его от внешней среды. Для внутреннего термосвариваемого слоя обычно используется литой полипропилен (CPP) именно из-за его превосходной устойчивости к электролиту.
Молекулярная структура PE состоит из полностью симметричной повторяющейся единицы -CH2-CH2-, без метильных групп боковой цепи, а сегменты ее цепи обладают высокой гибкостью. Его параметр растворимости (16,0–16,5 МПа¹ᐟ²) близко соответствует показателю растворителей электролитов на карбонатной основе, таких как DMC, EMC и EC, с параметрами растворимости 16,5–17,5 МПа¹ᐟ². Это делает полиэтилен очень чувствительным к набуханию, проникновению и даже растворению электролита.
Если сердечник из полиэтиленовой трубки используется для намотки алюминиево-пластмассовой пленки, то при последующей герметизации, формировании и старении аккумуляторных элементов, процессах, связанных с контактом с электролитом, сердечник трубки может разбухать и деформироваться. Это может привести к неравномерному внутреннему напряжению внутри рулона пленки и вызвать расслоение алюминиево-пластмассовой пленки или утечку электролита, что напрямую влияет на безопасность аккумулятора.
Напротив, полипропилен (ПП) из-за стерических затруднений, вызванных его метильными группами, имеет параметр растворимости 17,5–18,5 МПа¹ᐟ², что находится за пределами типичного диапазона растворителей-электролитов, описанных выше. Он показывает значительно меньше набухания и поэтому более подходит для этого применения.
2. Механическая прочность и точность формовки влияют на качество намотки.
Алюминиевая пластиковая пленка для литий-ионных аккумуляторов представляет собой прецизионную пленку с высокой добавленной стоимостью, к которой предъявляются высокие требования к плоскостности и концентричности во время намотки. Предел прочности материала ПЭ (≥20 МПа) ниже, чем у ПП (≥30 МПа), а также ПЭ имеет меньшую жесткость.
Под действием высокого напряжения, оказываемого при высокоскоростной намотке, полиэтиленовые сердечники более склонны к деформации и отклонениям от круглости. Эти изменения размеров могут привести к появлению неровных краев, складок и туннелей в рулонах пленки.
PE сердечниковые трубы
Более низкая прочность на разрыв и жесткость могут сделать полиэтиленовые сердечники более восприимчивыми к деформации при сильном натяжении намотки, что влияет на геометрию рулона и консистенцию намотки.
Трубы с сердечником из АБС и ПП
Внутренние трубы из ABS, PP и FRP обеспечивают большую жесткость и стабильность размеров, помогая сохранять концентричность рулона пленки во время высокоскоростной резки и намотки.
В частности, сердечниковые трубы из ABS сочетают в себе прочность и жесткость. При производстве в условиях контролируемой чистой комнаты они также могут помочь контролировать чистоту поверхности и снизить риск загрязнения алюминиево-пластиковой пленки посторонними веществами.
3. Плохая устойчивость к высоким температурам ограничивает совместимость процессов.
Производство алюминиево-пластмассовой пленки для литий-ионных аккумуляторов, как и производство аккумуляторных элементов, включает в себя такие высокотемпературные этапы, как обжиг, термосваривание и формование. Температура часто может достигать 80–120 °C.
PE имеет относительно низкую температуру плавления (около 105–130 °C) и максимальную температуру непрерывной эксплуатации ниже 80 °C. При повышенных температурах полиэтилен может размягчаться и расползаться, что может привести к деформации размеров. Это может повлиять на стабильность намотки и последующую размотку и обработку.
ПП:ПП имеет температуру плавления примерно 160–170 °C и может оставаться стабильным в течение длительного времени при температуре окружающей среды около 100–120 °C.
АБС:Центральные трубы из АБС-пластика также обеспечивают термостойкость, соответствующую стандартным технологическим требованиям, помогая избежать деформации на соответствующих этапах обработки.
Таким образом, по сравнению с ПЭ, ПП и подходящими сердечниками из АБС-трубок они обеспечивают лучшую стабильность размеров в температурных условиях, связанных с обработкой алюминиево-пластмассовой пленки и производством аккумуляторов.
4. Требования промышленной совместимости и чистоты
Производство литий-ионных аккумуляторов предъявляет строгие требования к чистоте производственной среды. В качестве герметизирующего материала для аккумуляторных элементов алюминиево-пластиковая пленка должна быть защищена от загрязнения посторонними веществами и пылью во время производства и обращения.
Процесс производства сердечников из полиэтилена обычно включает стандартную экструзию. В зависимости от производственной среды и контроля процесса чистота поверхности может не соответствовать требованиям, предъявляемым к чистым помещениям с литий-ионными батареями. Поверхностный мусор и электростатическое притяжение пыли могут увеличить риск загрязнения во время намотки пленки и обращения с ней.
По этой причине основной выбор намоточных сердечников, используемых с алюминиево-пластиковой пленкой для литий-ионных аккумуляторов, включает в себя высокоточные трубки с сердечниками из ABS и PP. При соответствующем производственном контроле, производстве в чистых помещениях и антистатической обработке эти материалы могут удовлетворить требования, касающиеся чистоты, точности размеров и химической стойкости.
Поэтому полиэтиленовые сердечники чаще используются в пленочной намотке общего назначения, где требования к точности размеров, химической стойкости и чистоте менее строгие.
Трубы с сердцевиной из полиэтилена и полипропилена для алюминиево-пластиковой пленки
| Фактор производительности | PE сердечниковые трубы | ПП сердечниковые трубы |
|---|---|---|
| Электролитное сопротивление | Более подвержены набуханию и проникновению | Повышенная устойчивость к набуханию, связанному с электролитом. |
| Механическая жесткость | Более низкая жесткость | Повышенная жесткость и стабильность размеров |
| Точность намотки | Более подвержен деформации при высоком напряжении. | Лучше подходит для точной намотки |
| Температурная устойчивость | Более склонен к размягчению и ползучести при повышенных температурах. | Более высокая температура плавления и лучшая стабильность при высоких температурах. |
| Совместимость приложений | Больше подходит для намотки пленки общего назначения. | Широко используется для сложных задач по намотке пленки. |
| Требования к чистоте | Требует соответствующего контроля процесса и окружающей среды. | Могут быть изготовлены с контролируемой чистотой для требовательных применений. |
Почему обычно используются сердечниковые трубы из ПП и АБС?
Выбор намоточного сердечника для алюминиево-пластмассовой пленки не определяется каким-то одним свойством материала. Сердечник должен сохранять стабильность размеров во время намотки и последующего обращения, а также соответствовать химическим, термическим требованиям и требованиям чистоты, предъявляемым к производству литий-ионных аккумуляторов.
Стабильность размеров
Внутренние трубы из ПП и АБС обеспечивают жесткость и стабильность размеров, необходимые для сохранения геометрии рулона во время намотки, резки и транспортировки.
Химическая стойкость
ПП обеспечивает высокую устойчивость к химической среде, связанной с применением литий-ионных аккумуляторов, снижая риск набухания и деградации материала.
Температурная стабильность
ПП и подходящие стержневые трубы из АБС-пластика могут обеспечить лучшую стабильность размеров в условиях обработки при повышенных температурах, чем полиэтилен.
Чистое производство
Контролируемые производственные условия и антистатическая обработка могут помочь трубкам с сердцевинами из ПП и АБС соответствовать требованиям чистоты и контроля загрязнения, предъявляемым к требовательным пленкам.
ПЭ сердечниковые трубыредко выбираются для намотки алюминиево-пластмассовой пленки, используемой в литий-ионных аккумуляторных батареях, поскольку ее характеристики не соответствуют совокупным требованиям к электролитной стойкости, механической жесткости, стабильности размеров, термостойкости и чистоте.
Чаще используются трубки с сердечником из ПП и АБС, поскольку они могут обеспечить химическую стойкость, стабильность размеров, температурные характеристики и контролируемую чистоту, необходимые для прецизионной намотки алюминиево-пластмассовой пленки. Выбор подходящего материала сердцевины в конечном итоге зависит от конкретной структуры пленки, процесса намотки и производственных требований.
