电动汽车锂电池隔膜的热转换性能

资源短缺和环境污染阻碍了可持续发展。为了实现碳中和和减少混合燃料的使用，世界各国政府都在积极鼓励新能源电动汽车的发展^[1]。根据国际能源署2021年的报告，到2030年，电动汽车的使用数量将达到2.25亿辆。锂电池是电动汽车的首选电源，但寿命有限;有研究预测，到2030年，全球将产生2 - 5亿吨退役锂离子电池。隔膜是锂离子电池的重要组成部分，影响锂离子电池的性能。

热解是一种将聚烯烃转化为高能量密度产品的过程，同时减轻了环境污染，是聚烯烃回收利用中最具成本效益和环保的技术之一。研究锂电池隔膜的热化学性质有助于锂离子电池的环保回收。聚丙烯(PP)和聚乙烯(PE)隔膜是最常用的锂电池隔膜。PP和PE隔膜由原料聚合物通过干法或湿法制备。在聚烯烃膜片的制备过程中，聚烯烃原料的性质和结构发生了变化。已有学者对聚烯烃热解的活化能和模型进行了研究。Aboulkas等发现，PE和PP的热解过程适合于收缩面积R2和收缩体积R3;采用无模型法计算PE和PP的活化能，分别为215 ~ 247和179 ~ 188 kJ/mol。

Xu等报道PE和PP的热解活化能分别为173.45-179.79和103.02-110.75 kJ/mol，采用R2和R3模型模拟热解过程。前人利用不同的动力学模型计算了PE和PP的热解活化能，得到了不同的结论。聚合物性能的多样性与重复单元排列、分子结构对称性、均匀性、聚合物引线的任何化学修饰等因素错综复杂地联系在一起。

图1. (a) (D)纯N₂下三种加热速率下PP的热重曲线;(b) (D)纯N₂下三种加热速率下PE的热重曲线。^[1]

3种升温速率下PP和PE在N2气氛下的热解(D)TG曲线如图1所示。PP和PE都是聚烯烃，它们的热解反应在不同的升温速率下基本完成，因此几乎没有残留物残留。图2结果表明，PE和PP在N₂环境下均出现吸热峰。在200℃以下，两种材料的TG曲线均未显示失重。PP的第一个DSC峰出现在140.8℃，表明聚丙烯可能发生结晶相变。PP的第二峰和PE的第一峰分别出现在173.7°C和148.8°C，表明PE在此阶段发生了熔融转变。PP的第三峰(471.8◦C)和PE的第二峰(490.6◦C)在DTG曲线上与其对应的峰值温度密切相关，其中几乎完全的质量损失表明样品的热分解。

图2. (a) 10k /min纯N₂下PP的DSC曲线;(b)纯N₂作用下PE在10k /min下的DSC曲线^[1]

[1] Liu H, Gu J, Fan H, et al. Thermal conversion performance, kinetic mechanism, and products of electric vehicle lithium battery diaphragms [J]. Energy Conversion and Management, 2023, 295.

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