鋰離子電池隔膜現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

　　摘要：隨著科技的進(jìn)步，鋰離子電池技術(shù)和相關(guān)材料也得到迅速發(fā)展，提高了鋰離子電池的性能，擴(kuò)大了鋰離子電池的應(yīng)用范圍，特別是在混合動力公交車、電動汽車、航空航天、人造衛(wèi)星和儲能等領(lǐng)域得到普遍應(yīng)用。隨著社會生產(chǎn)和人們生活對鋰離子電池需求量的日益增大，其鋰離子電池核心組成部分之一的隔膜要求也越來越高。開發(fā)高性能、低成本電池隔膜始終是鋰離子電池領(lǐng)域的重要研究方向之一。

　　關(guān)鍵詞：鋰離子電池隔膜;研究現(xiàn)狀;發(fā)展趨勢

　　1鋰離子電池隔膜性能要求

　　隔膜在鋰離子電池中的主要作用為隔離正負(fù)電極，防止電池內(nèi)部短路;并提供鋰離子遷移的良好通道，保證電化學(xué)反應(yīng)順利進(jìn)行。因此作為鋰離子電池的“第三電極”，決定了電池的界面結(jié)構(gòu)、電解質(zhì)的保持性和電池的內(nèi)阻等，進(jìn)而影響電池的容量、循環(huán)性能、充放電效率及安全性等關(guān)鍵特性，其應(yīng)具備如下性能要求。

　　1.1鋰離子透過性

　　隔膜的離子透過性受到孔徑、孔徑分布、孔隙率、孔曲折度等結(jié)構(gòu)因素的綜合影響。

　　1.2機(jī)械強(qiáng)度

　　隔膜應(yīng)具備良好的抗張強(qiáng)度和抗刺穿強(qiáng)度，防止電池在長期充放電循環(huán)運行中其強(qiáng)度衰減以及電極材料在電池內(nèi)部形成枝晶，保證其良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和安全性。

　　1.3熱穩(wěn)定性

　　鋰離子電池在充放電過程中產(chǎn)生熱量，尤其是短路或過充電時，會有大量熱量釋放，所以要求在-20℃～90℃，隔膜能夠保持良好的機(jī)械強(qiáng)度和尺寸穩(wěn)定性，起到隔離正負(fù)極防止短路的作用。

　　1.4電解液潤濕性

　　為降低內(nèi)阻，增大離子導(dǎo)電性，提高電池的充放電性能和容量，要求隔膜與電解液之間有良好的親和性，即隔膜能被電解液充分且快速浸潤。

　　2鋰離子電池隔膜研究現(xiàn)狀

　　2.1聚合物鋰離子電池隔膜制備技術(shù)

　　近年來以加工性能、質(zhì)量、材料價格、安全等方面獨特優(yōu)勢興起的聚合物鋰離子電池，要求隔膜具有很好的吸液性能。較早的聚合物電解質(zhì)隔膜是由美國Belleore公司1994年研制的由聚偏氟乙烯(PVDF)/六氟丙烯(HFP)的共聚物制成的多孔膜，基本制備方法是以(PVDF-HFP)共聚物與一定比例的增塑劑共溶于有機(jī)溶劑中制成膜后，再用有機(jī)溶劑將該增塑劑抽提出來制成具有一定微孔結(jié)構(gòu)的膜，然后浸取電解質(zhì)溶液，其吸附電解液后，具有較高的電導(dǎo)率和良好的機(jī)械性能，但沒能規(guī)�；�生產(chǎn)。利用倒相法制備PVDF薄膜，通過調(diào)節(jié)聚合物與溶劑、非溶劑之間的配比，可以制備出具有不同厚度、孔徑尺寸、孔隙率的微孔聚合物倒相膜，此法工藝簡單，制備的薄膜具有一定的離子電導(dǎo)率和機(jī)械強(qiáng)度，但其綜合性能尚需進(jìn)一步驗證。

　　2.2拉伸法技術(shù)

　　拉伸法是將聚烯烴樹脂熔融，擠壓、吹制成薄膜，經(jīng)過結(jié)晶化熱處理、退火后，得到高度取向的多層結(jié)構(gòu)，在高溫下進(jìn)一步拉伸，將結(jié)晶界面進(jìn)行剝離，形成多孔結(jié)構(gòu)，可以增加隔膜的孔徑，多孔結(jié)構(gòu)與聚合物的結(jié)晶性、取向性有關(guān)，該法易于工業(yè)化生產(chǎn)且無污染，是目前廣泛采用的方法。

　　2.3相分離法技術(shù)

　　相分離法是指在高溫下將聚合物溶于高沸點、低揮發(fā)性的溶劑中形成均相液，然后降溫冷卻，導(dǎo)致溶液產(chǎn)生液-固相分離或液-液相分離，再選用揮發(fā)性試劑將高沸點溶劑萃取出來，經(jīng)過干燥獲得一定結(jié)構(gòu)形狀的高分子微孔膜。在隔膜用微孔膜制造過程中，可以在溶劑萃取前進(jìn)行單向或雙向拉伸，萃取后進(jìn)行定型處理并收卷成膜，也可以在萃取后進(jìn)行拉伸，用這種方法生產(chǎn)的超高分子量聚乙烯(UHMWPE)微孔膜具有良好的機(jī)械性能。已有科研人員詳細(xì)論述了熱致相分離法制備高密度聚乙烯(HDPE)和超高分子量聚乙烯(UH-MWPE)共混隔膜的制備，發(fā)現(xiàn)膜的機(jī)械強(qiáng)度和拉伸性能由UHMWPE分子量及其在共混物中的含量決定，這種方法制備的隔膜，可以通過在凝膠固化過程中控制溶液的組成和溶劑的揮發(fā)，改變其性能和結(jié)構(gòu)，采用的原料一般是聚乙烯。

　　2.4隔膜特殊制備技術(shù)——靜電紡絲

　　靜電紡絲制得的納米纖維較傳統(tǒng)紡絲纖維直徑小1～2個數(shù)量級，具有極高的比表面積。將納米纖維交織成網(wǎng)狀多孔膜，即可用于鋰離子電池隔膜。通常靜電紡絲制備的隔膜孔隙率高大80%，具有良好的離子透過性，并大幅降低電池電阻，且強(qiáng)度基本不受孔隙率大小的影響，能夠同時實現(xiàn)高孔隙率和高強(qiáng)度的要求，同時兼具良好的電解液浸潤性，穩(wěn)定性突出。

　　3鋰離子電池隔膜發(fā)展趨勢

　　3.1現(xiàn)有材料的改進(jìn)

　　為保證安全性，鋰離子電池隔膜通常要求閉孔溫度較低和熔斷溫度較高。以干法制備的PP隔膜通常情況下閉孔溫度和熔斷溫度均很高，而以濕法制備的PE隔膜閉孔溫度和熔斷溫度均較低。多層隔膜結(jié)合了PE和PP的優(yōu)點，因此其研究受到廣泛關(guān)注。PE和PP隔膜對電解質(zhì)的親和性較差，吸液率低，需進(jìn)行改性，如在PE、PP微孔膜的表面接枝親水性單體或改變電解質(zhì)中的有機(jī)溶劑等。

　　3.2表面改性

　　PE和PP隔膜對電解質(zhì)的親和性較差，吸液率低，需要進(jìn)行改性，目前有以下幾種方法：一是在PE、PP微孔膜的表面接枝親水性單體或改變電解質(zhì)中的有機(jī)溶劑;二是表面涂覆摻有納米二氧化硅的聚氧乙烯;三是涂覆PVDF(聚偏二氟乙烯)，在表面形成一層改性膜，降低隔膜厚度，減小電池體積;四是用聚苯并咪唑處理PP，可以彌補(bǔ)其潤濕能力差的弱點;五是用PAN(聚丙烯腈)、PEO(聚環(huán)氧乙烷)、PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)、PVC、PVDF(聚偏氟乙烯)、橡膠等改性。

　　3.3聚合物電解質(zhì)隔膜(鋰聚合物電池)

　　液體鋰離子電池內(nèi)部始終存在著流動的液體電解液。在膜充放電循環(huán)使用過程中，電解液不可避免地與正負(fù)極材料發(fā)生氧化還原副反應(yīng)，消耗電池中的電解液，導(dǎo)致電池貧鋰，從而產(chǎn)生安全隱患。聚合物鋰離子電池采用固態(tài)(膠體)電解質(zhì)代替液態(tài)電解質(zhì)，不會產(chǎn)生漏液及燃燒爆炸等安全問題。使用的聚合物電解質(zhì)具有電解質(zhì)和隔膜的雙重作用。

　　3.4其他發(fā)展趨勢

　�、偬岣吡计仿剩河捎谑袌龅墓┻^于求，隔膜價格下降導(dǎo)致隔膜企業(yè)的利潤率已經(jīng)有了大幅度下滑，外部市場不利的情況下企業(yè)要想辦法自救。企業(yè)能夠有較高的良品率，較低的生產(chǎn)成本，才能在激烈的市場競爭中生存，提高良品率已經(jīng)成為企業(yè)的當(dāng)務(wù)之急。

　�、谘兄瞥�薄隔膜：隨著市場的發(fā)展，更輕薄、更小巧的3C電子產(chǎn)品將不斷進(jìn)入我們的生活，這類產(chǎn)品需要更薄的鋰離子電池隔膜來制作電池，同時，鋰電池對容量的追求也需要薄膜往輕薄化方向發(fā)展。但超薄隔膜的生產(chǎn)制備對設(shè)備、工藝的要求很高，企業(yè)如果能夠掌握超薄隔膜的制作技術(shù)必然在未來的競爭中處于非常有利的位置。

　�、厶岣吒裟さ奈�液性能：目前鋰離子電池的容量問題已經(jīng)越來越突出，不管是智能手機(jī)還是動力汽車，其待機(jī)時間或續(xù)航里程與消費者的需求之間的矛盾日益突出。如果企業(yè)在超薄電池隔膜方面難以有更好的突破，可以想辦法改善隔膜的吸液性能，因為改善吸液性能同樣能夠提高電池的容量。

　　電池能源論文：鋰電池儲能艙運行狀態(tài)信息采集系統(tǒng)研究

　　結(jié) 語：

　　目前國產(chǎn)隔膜主要用于低端手機(jī)電池，但隔膜未來的研發(fā)重點是新能源汽車動力電池和電力系統(tǒng)儲能電池隔膜。應(yīng)重點解決隔膜的耐熱性能，生產(chǎn)能在充、放電過程中大面積正、負(fù)極短路后仍能保持隔膜完整性的耐高溫復(fù)合隔膜;在不影響容量的前提下，作出更薄的能滿足小巧、微型產(chǎn)品需要的隔膜和滿足動力電池性能需求的多功能復(fù)合薄膜;開發(fā)吸液性能、保液性能更好的隔膜，提高離子電導(dǎo)率。研發(fā)聚合物電解質(zhì)隔膜、纖維隔膜等新產(chǎn)品。

　　參考文獻(xiàn)：

　　徐京生.鋰離子電池隔膜現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].新材料產(chǎn)業(yè)，2011.

　　張偉，吳耀根.鋰電池隔膜行業(yè)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢探討[J].塑料制造，2015.

　　墨柯[J].鋰離子電池隔膜產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢分析[J].新材料產(chǎn)業(yè)，2013.

　　作者：張一麟

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