鋰電池隔膜發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用趨勢(shì)研究

鋰電池隔膜發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用趨勢(shì)研究

雷洪鈞（博士）

（江漢大學(xué)動(dòng)力電池?zé)峁芾韺I(yè)研究生導(dǎo)師）

鋰電池隔膜作為新能源電池生產(chǎn)的關(guān)鍵材料，廣泛應(yīng)用于新能源汽車動(dòng)力電池、3C消費(fèi)電池、儲(chǔ)能電池等領(lǐng)域。下面對(duì)其發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)應(yīng)用研究予以介紹。

一、鋰電池隔膜地位及作用

隔膜材質(zhì)物理化學(xué)性能的優(yōu)劣決定了電池的界面結(jié)構(gòu)、內(nèi)阻等，隔膜的質(zhì)量直接影響電池的放電容量、充放電循環(huán)使用壽命以及阻燃止爆安全性能的好壞。

因此性能優(yōu)異的隔膜對(duì)提高電池的綜合性能具有重要的作用。

二、鋰電池隔膜工作原理及功能

在鋰電池的結(jié)構(gòu)中，電池隔離膜BSF（battery separator film）是支撐鋰離子電池完成充放電電化學(xué)過程的重要構(gòu)件，是鋰電池四大核心材料之一（其余三種為正極材料、負(fù)極材料、電解液）。

隔膜位于鋰電池的正極和負(fù)極之間，其功能是：

①使電池的正、負(fù)極活性物質(zhì)分隔開來，防止兩極接觸而短路；

②同時(shí)薄膜中的微孔允許電解液中的載流鋰離子通過，形成充放電回路。

③正常情況下，離子自由穿梭到達(dá)正負(fù)極，完成充放電的循環(huán)。

三、鋰電池隔膜結(jié)構(gòu)及類別

比較常見的主要有三種：多孔聚合物膜、非織造布及其復(fù)合隔膜、纖維素紙基及其復(fù)合隔膜。

1.多微孔聚合物膜

多微孔聚合物膜是指通過機(jī)械方法、熱致相分離法、浸沒沉淀法等多種方法制備的孔隙分布均勻的鋰電池隔膜。

1.1微孔聚烯烴隔膜優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)

①微孔聚烯烴隔膜的優(yōu)點(diǎn)：

a）具有良好的拉伸強(qiáng)度和穿刺強(qiáng)度；

b）電池在反復(fù)充放電循環(huán)過程中產(chǎn)生大量熱量；

c）軟化和熔化溫度較低的聚烯烴材料可以在不同溫度下通過關(guān)閉孔結(jié)構(gòu)，起到保護(hù)電池的作用。

②微孔聚烯烴隔膜的缺點(diǎn)：

繼續(xù)切斷了鋰離子的傳輸路徑，還會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)短路甚至爆炸，引發(fā)安全問題。

1.2無紡布隔膜及無機(jī)復(fù)合膜

目前采用靜電紡絲工藝流生產(chǎn)的鋰離子電池隔膜具有厚度薄、孔隙率高、孔徑小、滲透性高、比表面積大等優(yōu)點(diǎn)，聚偏氟乙烯和聚丙烯腈因其自身優(yōu)良的特性是靜電紡絲法制備鋰離子電池隔膜的理想原材料。

無機(jī)復(fù)合膜多是采用無機(jī)納米顆粒以及高聚合物復(fù)合而得到的鋰電池隔膜。

1.3纖維素紙基及其復(fù)合隔膜

以天然纖維或再生纖維為主要原料，添加無機(jī)或有機(jī)粒子，通過打漿、配漿、抄紙、干燥、壓光等步驟制成纖維素紙隔膜。其具有高孔隙率，良好的電解液潤(rùn)濕性、熱穩(wěn)定性和尺寸穩(wěn)定性等優(yōu)勢(shì)，可使電池具有更好的循環(huán)性能和更低的電阻抗。其制備過程如下圖所示。

纖維素廣泛存在于樹木、植物、果實(shí)、樹皮和葉片中，是環(huán)境友好的可再生線形高分子化合物，因其優(yōu)良的親水性、熱穩(wěn)定性、可生物降解性被應(yīng)用于制漿造紙、紡織、廢水處理和日化等各個(gè)行業(yè)。纖維素及其衍生物由于獨(dú)特的功能結(jié)構(gòu)，是一種非常有前途的電池材料，可以用于優(yōu)化鋰離子電池隔膜的性能研究。下圖為耐熱纖維素基隔膜－摻雜了表面接枝鹵素和磷基分子的Al2O3陶瓷。

四、鋰電池隔膜生產(chǎn)工藝

現(xiàn)在隔膜工藝有干法pp，濕法pe，陶瓷涂覆和有機(jī)涂覆，相轉(zhuǎn)化隔膜，無紡布隔膜各種新材料新工藝體系等。干法雙向拉伸隔膜制造工藝流程簡(jiǎn)圖如下。干法pp，類似于硬彈性纖維的工藝，大致過程有：

①熔體擠出。在溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的作用下，形成高度取向的片晶結(jié)構(gòu)。主要是通過大的牽伸比和風(fēng)刀的輔助冷卻控制分子取向，快速冷卻阻止分子松弛。

②熱處理。完善晶體結(jié)構(gòu)，提高結(jié)晶度。晶區(qū)會(huì)熔融再結(jié)晶，非晶區(qū)二次結(jié)晶。厚度會(huì)增厚

③拉伸。常溫拉伸，形成初始狹縫孔洞，之后高溫拉伸，擴(kuò)大孔洞。

④熱定型。固定孔結(jié)構(gòu)，消除內(nèi)應(yīng)力。

五、鋰電池隔膜存在的不足

1.聚烯烴類鋰離子電池隔膜的不足

在高溫充放電過程中，聚烯烴類鋰離子電池隔膜有時(shí)會(huì)收縮變形，導(dǎo)致電動(dòng)汽車自燃和手機(jī)等設(shè)備發(fā)生爆炸，嚴(yán)重危害人身生命安全。

2.靜電紡絲非織造布隔膜的不足

靜電紡絲非織造布隔膜具有優(yōu)良的熱穩(wěn)定性和電解液潤(rùn)濕性，但其強(qiáng)度還有待提高，低強(qiáng)度不僅會(huì)使隔膜在電池組裝過程中斷裂，而且很容易使隔膜被充放電過程中產(chǎn)生的鋰枝晶刺破，導(dǎo)致電池正負(fù)兩極相互接觸。

3.纖維素紙基隔膜的不足

目前僅在某些特定結(jié)構(gòu)的鋰離子電池中得到了應(yīng)用。

六、鋰電池隔膜發(fā)展趨勢(shì)

鋰電池隔膜發(fā)展趨勢(shì)是兩個(gè)方向，一是改變膜厚度和電池結(jié)構(gòu)，二是開發(fā)多層膜、改良膜、新穎隔膜來提高熱穩(wěn)定性。

①隨著鋰離子電池能量密度的逐年提升，非活性物質(zhì)的量也是越來越少，隔膜也越來越薄，厚度達(dá)到4mm。

②聚合物電解質(zhì)的固態(tài)電池具有電解質(zhì)和隔膜的雙重作用，未來將作為電動(dòng)汽車的重點(diǎn)使用。