電池隔膜生產工藝之冷卻定型和冷卻系統

川本斯特是專業生產工業制冷設備廠家，解決各種生產工藝需要控溫、恒溫、冷卻、定型等不同工藝需求的，解決溫度、濕度、恒壓、恒流等熱力、流體、換熱不同技術問題。洽談生產工藝遇到以上的問題。下面詳細介紹一下薄膜冷卻定型技術問題。

電池隔膜生產工藝之冷卻定型和冷卻系統

鋰離子電池隔膜流延工序的冷卻方法，其包括以下步驟：(1).打開冷卻管閥門，流入5℃﹣15℃的流體，降低冷卻管表面溫度；(2).聚烯烴熔體經模頭擠出，熔體流經冷卻管旁時，熔體表面熱量被冷卻管吸收；(3).冷卻后的聚烯烴熔體經流延輥形成流延膜。

鋰離子電池隔膜是一種具有納米級微孔的高分子功能材料，隔膜在電池內部將正、負極板分隔開來，防止兩極接觸造成短路。同時，隔膜具備有良好的離子通過能力，有保持電解液的能力，和具有一定的保護電池安全的能力。[1]在鋰電池的結構中，隔膜是關鍵的內層組件之一。隔膜的性能決定了電池的界面結構、內阻等，直接影響電池的容量、循環以及安全性能等特性，性能優異的隔膜對提高電池的綜合性能具有重要的作用。
鋰離子性能隔膜要求包括：1）厚度均勻性，隔膜的厚度均勻性包括縱向厚度均勻性和橫向厚度均勻性。其中橫向厚度均勻性尤為重要。一般均要求控制在+1微米以內。  2）機械強度，隔膜的機械強度可用抗穿刺強度和拉伸強度來衡量。拉伸強度，隔膜的拉伸強度與制膜的工藝相關聯。采用單軸拉伸，膜在拉伸方向上與垂直方向強度不同；而采用雙軸拉伸時，隔膜在兩個方向上*性會相近。一般拉伸強度主要是指縱向強度要達到100MP以上，橫向強度不能太大，過大會導致橫向收縮率增大，這種收縮會加大鋰電池廠家正、負極接觸的幾率。抗穿刺強度，抗穿刺強度是指施加在給定針形物上用來戳穿隔膜樣本的質量，用它來表示隔膜在裝配過程中發生短路的趨勢。因隔膜是被夾在凹凸不平的正、負極片間，需要承受很大的壓力。為了防止短路，所以隔膜必須具備一定的抗穿刺強度。抗穿刺強度值一般在300-500g。3）透過性能, 透過性能可用在一定時間和壓力下，通過隔膜氣體的量的多少來表征，主要反映了鋰離子透過隔膜的通暢性。隔膜透過性的大小是隔膜孔隙率、孔徑、孔的形狀及孔曲折度等隔膜內部孔結構綜合因素影響的結果。作為鋰電池隔膜材料，本身具有微孔結構，微孔在整個隔膜材料中的分布應當均勻。孔徑一般在0.03-0.12um。孔徑太小增加電阻，孔徑太大易使正負極接觸或被枝晶刺穿短路。隔膜廠家現在基本以透氣度、孔隙度指標來衡量透氣性。透氣率是指特定的空氣在特定的壓力下通過特定面積隔膜所需要的時間，用Gurley值來表示。根據隔膜厚度，一般在300-700s/100ml。孔隙率是單體膜的體積中孔的體積百分率，它與原料樹脂及膜的密度有關。現有鋰離子電池隔膜的孔隙率在40%-50%之間。4）理化性能，潤濕性和潤濕速度：較好的潤濕性有利于提高隔膜與電解液的親和性，擴大隔膜與電解液的接觸面，從而增加離子導電性，提高電池的充放電性能和容量。隔膜對電解液的潤濕性可通過測定其吸液率和持液率來衡量。化學穩定性：隔膜在電解液中應當保持長久的穩定性，不與電解液和電極物質反應。其化學穩定性是通過測定耐電解液腐蝕能力和脹縮率來評價的。5）熱穩定性：電池在充放電過程中會釋放熱量，尤其在短路或過充電的時候，會有大量熱量放出。因此，當溫度升高的時候，隔膜應當保持原有的完整性和一定的力學性能，發揮隔離正、負極、防止短路的作用。6）安全保護性能：鋰離子電池的安全性成為鋰電池廠家的較為重視的環節。作為鋰電池較為關鍵的核心材料，對隔膜也提出了更高的要求。目前鋰電池用隔膜一般都能夠提供一個附加的功能，就是熱關閉。這一特性可以為鋰離子電池提供一個額外的安全保護。該功能主要參數為閉孔溫度和破膜溫度。閉孔溫度是微孔閉合時的溫度，即為閉合溫度。指電池內部發生放熱反應自熱、過充或者電池外部短路時，這些情況都會產生大量的熱量。由于聚烯烴材料的熱塑性，當溫度接近聚合物熔點時，微孔閉合形成熱關閉，從而阻斷離子的繼續傳輸而形成斷路，起到保護電池的作用。一般PE為130-140℃，PP為150℃。破膜溫度是指電池內部自熱，外部短路使電池內部溫度升高，超過閉合溫度后微孔閉塞阻斷電流通過，熱熔性能溫度進一步上升，造成隔膜破裂、電池短路。破裂時的溫度即為破膜溫度。 因此，鋰電池廠家都希望隔膜有較低的閉孔溫度和較高的破裂溫度。閉孔溫度和破膜溫度均與隔膜材料的種類有很大關系。任何單層的隔膜將難以滿足鋰離子電池對隔膜的安全性的要求。為了滿足鋰電池廠家的這種要求，南通天豐開發出了PE、PP多層隔膜。融合了PE的低溫閉合和PP的高溫破膜溫度兩種特性。

鋰電隔膜生產工藝：
濕法：濕法又稱相分離法或熱致相分離法，將高沸點的烴類液體或低分子量的物質與聚烯烴樹脂混合，加熱溶化混合物并把熔體鋪在薄片上，然后降溫發生相分離，再以縱向或雙軸向對薄片做取向處理，zui后用易揮發的溶劑提取液體。可制備出相互貫通的微孔膜材料，適用的材料廣。采用該法的具有代表性的公司有日本旭化成、東燃及美國Entek等，用濕法雙向拉伸方法生產的隔膜由于經過了雙向拉伸具有較高的縱向和橫向強度。目前主要用于單層的PE隔膜。[6]
濕法工藝圖

 
圖片來源：長江證券 鋰電材料系列報告之二 2013年7月4日
干法：熔融拉伸法（干法）的制備原理是，高聚物熔體擠出時在拉伸應力作用下冷卻結晶，形成平行排列的結晶結構，經過熱處理的薄膜拉伸后晶體之間分離而形成狹縫狀微孔，在經過熱定型制得微孔膜。[7]
干法單向拉伸工藝是通過生產硬彈性纖維的方法，制備出低結晶度的高取向聚丙烯或聚乙烯薄膜，在高溫退火獲得高結晶度的取向薄膜。這種薄膜先在低溫下進行拉伸形成微缺陷，然后高溫下使缺陷拉開，形成微孔。該工藝經過幾十年的發展在美國、日本已經非常成熟，現在美國Celgard公司、日本UBE公司采用此種工藝生產單層PP、PE以及三層PP/PE/PP復合膜。美國Celgard公司擁有干法單向拉伸工藝的一系列，日本UBE公司是購買了Celgard的相關使用權。用這種方法生產的隔膜具有扁長的微孔結構，由于只進行單向拉伸，隔膜的橫向強度比較差，但正是由于沒有進行橫向拉伸，橫向幾乎沒有熱收縮。[8]
干法雙向拉伸工藝是中國科學院化學研究所在20世紀90年代初開發出的具有自主知識產權的工藝（CN1062357）。通過在聚丙烯中加入具有成核作用的β晶型改進劑，利用聚丙烯不同相態間密度的差異，在拉伸過程中發生晶型轉變形成微孔，用于生產單層PP膜。國內格瑞恩新能源材料股份有限公司、桂林新時科技有限公司均與中科院合作采用干法雙向拉伸工藝。
從理論上分析，干法雙向拉伸工藝生產的隔膜經過雙向拉伸，在縱向拉伸強度相差不大的情況下，橫向拉伸強度要明顯高于干法的單向拉伸工藝生產的隔膜。物理性能和機械性能方面干法雙向拉伸工藝生產的隔膜更占優勢。然而濕法隔膜可以得到更高的孔隙率和更好的透氣性。可以滿足動力電池的大電流充放的要求。但由于濕法采用聚乙烯基材，熔點只有140℃。所以熱穩定性比較差。

電池隔膜生產工藝之冷卻定型和冷卻系統

擠出吹塑薄膜成型設備中的冷卻裝置，作用是把擠出模具后的管狀膜坯經吹脹成膜泡后，為使膜泡盡快冷卻定型，提速吹塑成型薄膜的生產速度而設置。冷卻裝置中一般多采用風或水為冷卻介質，帶走膜泡表面的熱量。按冷卻的方法的不同，又可分為膜泡表面冷卻和膜泡管內表面冷卻。
圖5-6是一種采用風冷卻筒狀膜泡外表面用風環結構。它是一種吹塑薄膜風冷卻應用較多的一種方式。對膜的外表面冷卻效果較好，可適應各種塑料吹塑膜泡的冷卻。

圖5-6 單風口風環結構示意
1-吹風口；2-風環上蓋；3-風環體

 圖5-7雙風口負壓風環工作氣流分布示意
1-膜泡；2-上風口；3-下風口；4-模具；5-氣流分布
 圖5-7是一種雙風口負壓風環冷卻膜泡時的工作氣流分布示意。兩風口間的負壓區膜坯開始被吹脹，這種雙風口冷卻膜表面的降溫效果好于圖5-6中風冷卻方式，擠塑生產吹塑薄膜速度比較高，適合多種塑料成型膜的冷卻。

 圖5-8是一種采用水冷卻膜泡外表面用水環冷卻工作方式。采用這種方式冷卻的膜泡，一般多用于要求透明度較好的聚丙烯薄膜。

圖5-8 冷卻水環結構及工作示意
1-水環外套：2-隔板；3-定型套

圖5-9是膜泡采用風內冷卻的一種設備工作示意。冷空氣由模具內芯棒中的風環進入膜泡內，冷卻膜泡內壁，同時也起到支撐膜泡的作用。這種冷卻膜泡的效果很好，適合于各種塑料吹塑寬幅厚膜的冷卻。
圖5-9 膜泡風內冷卻工作示意
 1-熱風輸出管；2-進風口；3-排風機；4-熱風冷卻裝置；5-膜泡管
風環的工作位置是在成型模具口的上方，距模具口30～100mm處。風環的直徑，一般應是模具口直徑的1.5～3倍（模具口直徑小時取大值）。從風環口吹出的氣流，應以45°～60°斜角，呈傘狀吹向膜泡管，氣流托住膜泡，向上流動，帶走膜泡表面熱量，使膜泡管降溫，平穩運行。
冷卻水環工作時，吹脹膜泡管的外徑與冷卻水環內徑吻合，水環內冷卻水從冷卻套內溢出。膜泡管通過水環時，表面帶走一層冷卻水，沿著膜泡管面下流，帶走膜面熱量，使膜泡表面得到較好的降溫。膜面上附著的水珠，經牽引輥時被擠壓流回水環。

風冷冷水機組使用方便，不需要另外配接散熱器或冷卻水塔。在使用過程中，只需要把電源、水源接上，使水箱內的水注滿，再控制面板上先啟動泵浦，再啟動壓縮機，冷水機就可以正常工作。

風冷冷水機組廣泛應用于：激光技術、焊接、塑料成型、注塑、擠塑、吹瓶、熱力塑型、機械切削加工、非切削加工、鑄造、表面處理、電鍍、電泳、醫療設備、電子行業、電路板生產、電子蕊片制造、化工、造紙、制藥業、食品加工、鋁型材、鋁合金、鋼化玻璃、鍍膜玻璃、超聲波清洗、油墨生產等。

風冷冷水機組特點：
高品質壓縮機 
作為冷水機的心臟，高川選擇歐美日*壓縮機，屬三洋、松下、谷輪系列，內置安全保護，安全寧靜，省電耐用。 
高效蒸發器 
1.盤管水箱式：不銹鋼厚質水箱式蒸發器，采用高純度銅管制造，內置自動補水裝置，省去工程安裝中的彭脹水箱，方便安裝保養，并適用于大溫差小流量等特殊場合。 
2.殼管式：高效紫銅管內螺紋蒸發器（備注：如果使用封閉式水箱，建議采用殼管式蒸發器）
風冷式冷凝器 
高速沖床沖孔，翻片質量可靠，二次翻邊，銅管與翅片更加緊密接觸，換熱效率高。采用全新進口銅管和全自動彎頭焊接， 大大增強了氧密性，杜絕制冷劑匯漏現象，尤其適合水資源缺乏或水質硬度高的地區使用。 
機組配置 
配置精密電子溫度控制器，精確控制水溫于5~35度以內，內置壓縮機超負載保掮器，循環水泵超負載制，系統低壓力異常保掮器，高效 進口干燥過濾器及臌賬閥，維修手閥接口等裝置，確保了機器可靠安全運行，方便了保養維修。 
高揚程水泵裝置 
水泵精選意大利、中國臺灣大流量高揚程水泵，使用安全超靜，省電耐用．機體外殼用靜電粉體涂料烤漆，美觀大方．裝有不銹鋼水箱，清洗方便快捷．水箱內含有浮球自動補水裝置，可用來測量并控制水位，從而有效地為客戶節省時間并提高工作效率.
多功能操作面板 
操作面板上裝有電流表，控制系統保險，壓縮機及水泵開關按鈕，電子溫控制器，各安全保護故障燈，顯示冷水出口、冷水入口和設定溫度選配，機組啟動運轉指示燈，使用方便。

特殊設計
1、機組可根據機房條件，靈活設計外形尺寸，歡迎來樣生產。
2、多種冷媒選擇，機組可提供R22、R407C、R134a等冷媒介質。
3、根據不同國家地區的電源生產不同電源制式的機組，還可根據用戶要求訂做冷水機組及各類防腐、鹽水等高電壓非標機組。

4、可根據客戶溫度要求定做低溫型制冷機，zui低溫度可達零下40℃。
安裝簡便
1、運轉平衡安全，振動小，安裝簡單；
2、機組結構緊湊，占地面積小，重量輕，容易搬運。
3、控制界面直接顯示故障內容，方便及時了解故障并排除。
4、出廠前完成各種性能測試,完成接線客戶只需連接進、出水管和電源即可運行，減少安裝時間和費用。
運行可靠
1)機組具備多種安全保護措施，保證機組正常運行。
2)所有機組出廠前均通過安全檢測系統100%測試，確保機組性能符合標準。

風冷式冷水機參數一

工作范圍:

冰水出水溫度范圍：5---20℃

機組在環境溫度≤35℃工況下

風冷式冷水機參數二

公司產品嚴格按照歐盟CE認證和ISO9001:2008 idt GB /T19001-2008標準生產，產品質量和售后服務*，免費提供，咨詢。