基于鞍形面调控的双向拉伸锂电池隔膜制造基础问题研究

Efficient manufacturing of high-performance lithium battery separator is conducive to achieve the development of strategic emerging industries such as energy saving, information technology, new energy vehicles, aeronautics and astronautics, and so on. However, the most commonly used biaxially oriented lithium battery separator manufacturing technology and equipment exists some problems such as uneven force, complex control system, difficult the structure and properties regulation. Bundled herringbone-wheel synchronous biaxially oriented technology and equipment perhaps can solve these problems. This project focuses on researching innovation design principle of bundled herringbone-wheel synchronous biaxially oriented mechanical system, micropores’ structure evolution mechanism of biaxially oriented separator under multi-field action and influence law of biaxially oriented process to the service performance of the separators from two aspects of theoretical modeling and experimental analysis, intending to solve the key scientific issues of optimization method of bundled herringbone-wheel synchronous biaxially oriented mechanical system, formation mechanism and modeling of saddle surface, and response mechanism of separator’ micropores, to achieve an adjustment of the saddle surface shape to regulate the structural properties of separator. Successful implementation of this project will provide a theoretical basis and technical support for the development of lithium battery separator production technology and equipment with independent intellectual property rights, which will have an important significance on promoting advanced lithium battery separator manufacturing in our country.

高性能锂电池隔膜的高效制造有利于实现节能环保、信息技术、新能源汽车及航空航天等战略性新兴产业的发展。但是目前常用聚烯烃锂电池隔膜的双向拉伸制造技术和装备存在薄膜受力不均、控制系统复杂、隔膜结构性能调控难等问题。捆绑人字轮式同步双向拉伸技术和装备或许可以很好解决上述问题。本项目从理论建模和实验分析两个方面侧重研究捆绑人字轮式同步双向拉伸机械系统创新设计原理、多场作用下双向拉伸隔膜微孔结构演化机制，以及同步双向拉伸过程对隔膜产品服役性能的影响规律，拟解决同步双向拉伸锂电池隔膜成型成性过程中的捆绑人字轮式同步双向拉伸机械系统优化方法、鞍形面的形成机理及模型化、隔膜微孔的响应机制等关键科学问题，实现利用调节鞍形面形状对隔膜结构性能进行调控。本项目的成功实施将为我国开发具有自主知识产权的锂电池隔膜生产技术及装备提供理论基础和技术支撑，对推动我国锂电池隔膜的先进制造具有重要的意义。

本项目针对目前常用聚烯烃锂电池隔膜的双向拉伸制造技术和装备存在薄膜受力不均、控制系统复杂、隔膜结构性能调控难、设备价格昂贵等问题，提出了一种捆绑人字轮式锂电池隔膜成型方法及技术：改变现有机械链夹点接触式的有级夹持，应用捆绑式线接触的无级夹持方式，解决隔膜拉伸过程受力不均的问题；利用隔膜拉伸过程薄膜鞍形曲面形状变化和横纵向速度的自适应来减少薄膜的弓曲现象，提升隔膜厚度均匀性，从而提升隔膜的综合性能。针对上述聚烯烃锂电池隔膜成型新方法，项目组开展了关于基于鞍形曲面调控的锂电池隔膜成型机理研究，主要内容包括：捆绑人字轮式同步双向拉伸机械系统设计原理，多场作用下同步双向拉伸隔膜微结构演化机制，拉伸过程对隔膜服役性能的影响规律。通过建立捆绑式拉伸过程薄膜的动力学模型，获得了薄膜的速度分布，并研究了薄膜弓曲现象与加工工艺参数之间的关联机制；研究了捆绑拉伸过程鞍形曲面的形成机理，获得了鞍形曲面的形状方程，建立了鞍形曲面形状参数与加工工艺参数之间的内在关系；通过动力学过程和鞍形曲面的形成机理的研究，对捆绑式双向拉伸设备的结构和温控系统进行了优化设计和改造，并根据需求搭建了基于拉伸流变的预制膜片挤出成型实验平台；利用基于拉伸流变的预制膜片挤出成型实验平台，研究了物料特性、流延辊温度、牵引速度等工艺参数对薄膜性能的影响规律，为双向拉伸过程提供了最佳性能的预制膜片；利用捆绑式拉伸装置，研究了拉伸比、拉伸速率、拉伸温度、热定型温度及时间等加工工艺参数对隔膜微结构演变及服役性能的影响规律，实现对锂电池隔膜服役性能的调控加工。本项目揭示了捆绑式拉伸作用对聚烯烃锂电池隔膜服役性能的影响规律，实现了对隔膜性能的可调控加工，为我国开发具有自主知识产权的锂电池隔膜生产技术及装备提供理论基础和技术支撑，对推动我国锂电池隔膜的先进制造具有重要的意义。