鋰離子電池隔膜現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

　　摘要：隨著科技的進步，鋰離子電池技術和相關材料也得到迅速發(fā)展，提高了鋰離子電池的性能，擴大了鋰離子電池的應用范圍，特別是在混合動力公交車、電動汽車、航空航天、人造衛(wèi)星和儲能等領域得到普遍應用。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域的重要研究方向之一。

　　關鍵詞：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，保證電化學反應順利進行。因此作為鋰離子電池的“第三電極”，決定了電池的界面結構、電解質(zhì)的保持性和電池的內(nèi)阻等，進而影響電池的容量、循環(huán)性能、充放電效率及安全性等關鍵特性，其應具備如下性能要求。

　　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、孔曲折度等結構因素的綜合影響。

　　1.2機械強度

　　隔膜應具備良好的抗張強度和抗刺穿強度，防止電池在長期充放電循環(huán)運行中其強度衰減以及電極材料在電池內(nèi)部形成枝晶，保證其良好的結構穩(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械強度和尺寸穩(wěn)定性，起到隔離正負極防止短路的作用。

　　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

　　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溶劑中制成膜后，再用有機溶劑將該增塑劑抽提出來制成具有一定微孔結構的膜，然后浸取電解質(zhì)溶液，其吸附電解液后，具有較高的電導率和良好的機械性能，但沒能規(guī)模化生產(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率和機械強度，但其綜合性能尚需進一步驗證。

　　2.2拉伸法技術

　　拉伸法是將聚烯烴樹脂熔融，擠壓、吹制成薄膜，經(jīng)過結晶化熱處理、退火后，得到高度取向的多層結構，在高溫下進一步拉伸，將結晶界面進行剝離，形成多孔結構，可以增加隔膜的孔徑，多孔結構與聚合物的結晶性、取向性有關，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

　　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)過干燥獲得一定結構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行單向或雙向拉伸，萃取后進行定型處理并收卷成膜，也可以在萃取后進行拉伸，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械性能。已有科研人員詳細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)膜的機械強度和拉伸性能由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)，改變其性能和結構，采用的原料一般是聚乙烯。

　　2.4隔膜特殊制備技術——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

　　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。多層隔膜結合了PE和PP的優(yōu)點，因此其研究受到廣泛關注。PE和PP隔膜對電解質(zhì)的親和性較差，吸液率低，需進行改性，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極材料發(fā)生氧化還原副反應，消耗電池中的電解液，導致電池貧鋰，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

　　①提高良品率：由于市場的供過于求，隔膜價格下降導致隔膜企業(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)的當務之急。

　�、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，不管是智能手機還是動力汽車，其待機時間或續(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 語：

　　目前國產(chǎn)隔膜主要用于低端手機電池，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、負極短路后仍能保持隔膜完整性的耐高溫復合隔膜;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：

　　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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