解析鋰離子動(dòng)力電池隔膜的制備及技術(shù)要求

鋰電池隔膜由于投資風(fēng)險(xiǎn)大、技術(shù)門(mén)檻高，一直未能實(shí)現(xiàn)國(guó)內(nèi)大規(guī)模生產(chǎn)，成為制約我國(guó)鋰電池行業(yè)發(fā)展的瓶頸。

作為目前新能源汽車(chē)的主要?jiǎng)恿?lái)源，鋰離子動(dòng)力電池具有比能量和電壓相對(duì)較高、工作溫度范圍較寬、無(wú)記憶效應(yīng)、循環(huán)壽命相對(duì)較長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。從結(jié)構(gòu)組成上看，鋰離子動(dòng)力電池主要由正極材料、負(fù)極材料、電解質(zhì)、電池隔膜、封裝材料等這五個(gè)部分組成。下面我們就來(lái)談?wù)勪囯x子動(dòng)力電池隔膜的制備及技術(shù)要求。

隔膜的功能和技術(shù)要求

電池隔膜是一類(lèi)多孔隙薄膜，在吸收電池電解液后，可隔離正、負(fù)極以防止短路。同時(shí)給鋰離子電池提供實(shí)現(xiàn)充放電功能、倍率性能的微孔通道，實(shí)現(xiàn)鋰離子的傳導(dǎo)。在電池過(guò)充或者溫度變化較大時(shí)，隔膜通過(guò)閉孔來(lái)阻隔電流傳導(dǎo)來(lái)防止爆炸。因此鋰離子動(dòng)力電池中的主要功能包含實(shí)現(xiàn)充放電和安全保障兩個(gè)方面。

相比較消費(fèi)類(lèi)鋰離子電池，鋰離子動(dòng)力電池在新能源汽車(chē)上使用時(shí)，需要提供更高的電壓、更大的功率以及更多的電量。隔膜作為電池的關(guān)鍵零部件之一，隔膜性能的優(yōu)勢(shì)決定電池的界面結(jié)構(gòu)和內(nèi)阻，進(jìn)而影響電池的容量、循環(huán)性能，充放電電流密度等關(guān)鍵特性。

影響隔膜的因素包括、厚度、空氣滲透性、浸潤(rùn)性、孔結(jié)構(gòu)和孔隙率、熱穩(wěn)定性和一致性等。隔膜對(duì)電池性能的一些影響如下表所示：

性能優(yōu)異的隔膜對(duì)提高動(dòng)力鋰電池的綜合性能有重要作用，因此對(duì)鋰離子動(dòng)力電池隔膜的使用提出了更高的要求：

(1)必須具備良好的絕緣性，以防止正負(fù)極接觸短路或是被毛刺、顆粒、枝晶刺穿而出現(xiàn)的短路;

(2)具有足夠的穿刺強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度等，并在突發(fā)的高溫條件下基本保持尺寸的穩(wěn)定，不會(huì)熔縮導(dǎo)致電池的大面積短路和熱失控;

(3)隔膜在厚度、透氣、孔徑分布等方面性能需要保持較高的均一性;

(4)能夠耐受電解液腐蝕，有足夠的化學(xué)和電化學(xué)穩(wěn)定性;

(5)鋰離子的遷移受隔膜材料和孔隙的影響，因此隔膜需要具有較高孔隙率且微孔分布均勻。

隔膜的種類(lèi)

按照鋰離子電池隔膜的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可將其分為聚烯烴微孔膜、無(wú)紡布制造膜以及涂層復(fù)合膜等種類(lèi)：

(1)聚烯烴微孔膜：聚烯烴隔膜是目前最主流的動(dòng)力鋰離子電池隔膜，主要以聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)等為主。

雖然聚乙烯、聚丙烯微孔膜具有較高的孔隙率、較低的電阻、較高的抗撕裂強(qiáng)度、較好的抗酸堿能力、良好的彈性及對(duì)非質(zhì)子溶劑的保持性能。但其耐熱性能、吸電解液性能以及耐電化學(xué)氧化性能均相對(duì)較差，無(wú)法滿足動(dòng)力鋰離子電池技術(shù)發(fā)展的要求。

一般會(huì)對(duì)其進(jìn)行改性處理以獲取高性能的隔膜。其中方法之一就是在通過(guò)加入或者復(fù)合具有親液性能、耐高溫性能的特性材料，以獲得性能更加優(yōu)異的復(fù)合隔膜。

(2)無(wú)紡布基隔膜以及涂層復(fù)合膜：無(wú)紡布基隔膜按其材質(zhì)分有PP無(wú)紡布、PET無(wú)紡布、纖維素類(lèi)無(wú)紡布、PI無(wú)紡布等。這一類(lèi)隔膜的優(yōu)點(diǎn)是較高的耐高溫性、在低溫保持輸出能力并且循環(huán)壽命長(zhǎng)，機(jī)械性能適中的特點(diǎn)。

與聚烯烴型的隔膜相比，它的特點(diǎn)是呈現(xiàn)三維孔的結(jié)構(gòu)。有研究認(rèn)為該結(jié)構(gòu)可有效避免因?yàn)獒樋自斐傻亩搪番F(xiàn)象，并有效提高保濕率。但是無(wú)紡布基隔膜的缺點(diǎn)比如孔徑較大且分布不均勻限制了進(jìn)一步的應(yīng)用。因此通常對(duì)其進(jìn)行改性處理，常用的方式有納米顆粒改性無(wú)紡布隔膜、微孔涂層涂覆改性無(wú)紡布隔膜、靜電紡絲隔膜。

聚烯烴隔膜和無(wú)紡布基隔膜均存在一定的缺點(diǎn)，因此通常采用轉(zhuǎn)移涂布或浸漬的方式制作涂層復(fù)合隔膜來(lái)改變提高隔膜的性能。涂層復(fù)合膜根據(jù)涂層的成份不同可分為：有機(jī)涂層復(fù)合膜、無(wú)機(jī)涂層復(fù)合膜、有機(jī)/無(wú)機(jī)雜化涂層復(fù)合膜三種。

制備方法

(1)干法：

干法是將聚烯烴樹(shù)脂熔融、擠壓、吹制成結(jié)晶性高分子薄膜，經(jīng)過(guò)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)晶截面進(jìn)行剝離，形成多孔結(jié)構(gòu)。干法主要可分為熔融擠出/拉伸/熱定型法、添加成核劑共擠出/拉伸/熱固定法兩類(lèi)。

干法是常用的制備工藝，方法簡(jiǎn)單且無(wú)污染，但是孔徑及孔隙率較難控制，拉伸比較小，隔膜不能太薄。干法的鋰離子電池隔膜存在的主要問(wèn)題是溫度升高時(shí)隔膜易收縮甚至熔化，嚴(yán)重威脅到動(dòng)力鋰離子電池的安全。

(2)濕法：

濕法又稱(chēng)相分離法或熱致相分離法，是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種常用的制備微孔膜的方法。熱致相分離法是通過(guò)熱塑性和結(jié)晶性聚合物和某些高沸點(diǎn)的小分子化合物(稀釋劑)在較高溫度時(shí)形成均相溶液。

在溫度降低時(shí)發(fā)生固—液或液—液分離，脫除稀釋劑后形成聚合物多孔膜。濕法可以較好的控制孔徑及孔隙率，但濕法制備的設(shè)備要求精度高，投入大，生產(chǎn)成本和難度也要高于一般的薄膜制備技術(shù)。

(3)新型制備方法

輻射法是指高分子膜經(jīng)電子線、γ射線等輻照，在離子通過(guò)的路徑上由于高密度能量沉積使其周?chē)与婋x和激發(fā)，導(dǎo)致聚合物分子的長(zhǎng)鏈斷裂、重排和產(chǎn)生自由基，在此區(qū)域內(nèi)材料有較高的化學(xué)反應(yīng)能力，可以通過(guò)化學(xué)試劑蝕刻形成孔洞。

另外，基于靜電紡絲法的高能離子電池隔膜系統(tǒng)主要包括了噴絲頭、高壓發(fā)生器以及輸液系和接絲系統(tǒng)，接絲系統(tǒng)和噴絲頭相互作用而形成的高壓靜電場(chǎng)中，高分子溶液的流束被分割為若干細(xì)流，從而使溶劑揮發(fā)，并在接絲系統(tǒng)中形成纖維膜，具有良好的孔隙率與機(jī)械強(qiáng)度。

總結(jié)：

在技術(shù)發(fā)展領(lǐng)域，隔膜已從單一的聚烯烴類(lèi)材料向多種材料、復(fù)合材料的方向發(fā)展，從簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)向復(fù)雜結(jié)構(gòu)發(fā)展。對(duì)隔膜的研究目標(biāo)是提高電池的安全性、保證電池功率性能的充分發(fā)揮。在鋰電池向更高比能量體系發(fā)展的進(jìn)程中，新型隔膜發(fā)展的機(jī)會(huì)將進(jìn)一步顯現(xiàn)。

2016年全球鋰電池隔膜銷(xiāo)量將達(dá)到18億平方米，應(yīng)用于動(dòng)力電池隔膜比例將大幅上升。但國(guó)內(nèi)的高端隔膜市場(chǎng)仍然以進(jìn)口產(chǎn)品為主，鋰電池隔膜由于投資風(fēng)險(xiǎn)大、技術(shù)門(mén)檻高，一直未能實(shí)現(xiàn)國(guó)內(nèi)大規(guī)模生產(chǎn)，成為制約我國(guó)鋰電池行業(yè)發(fā)展的瓶頸。

為此，我國(guó)的科研單位和相關(guān)企業(yè)需要加強(qiáng)溝通和協(xié)作，通過(guò)產(chǎn)、學(xué)、研相結(jié)合為隔膜技術(shù)的提高乃至動(dòng)力電池技術(shù)的提高做出該有的貢獻(xiàn)，實(shí)現(xiàn)中國(guó)新能源汽車(chē)的彎道超車(chē)。