解析鋰離子動力電池隔膜的制備及技術要求

鋰電池隔膜由于投資風險大、技術門檻高，一直未能實現國內大規(guī)模生產，成為制約我國鋰電池行業(yè)發(fā)展的瓶頸。

作為目前新能源汽車的主要動力來源，鋰離子動力電池具有比能量和電壓相對較高、工作溫度范圍較寬、無記憶效應、循環(huán)壽命相對較長等優(yōu)點。從結構組成上看，鋰離子動力電池主要由正極材料、負極材料、電解質、電池隔膜、封裝材料等這五個部分組成。下面我們就來談談鋰離子動力電池隔膜的制備及技術要求。

隔膜的功能和技術要求

電池隔膜是一類多孔隙薄膜，在吸收電池電解液后，可隔離正、負極以防止短路。同時給鋰離子電池提供實現充放電功能、倍率性能的微孔通道，實現鋰離子的傳導。在電池過充或者溫度變化較大時，隔膜通過閉孔來阻隔電流傳導來防止爆炸。因此鋰離子動力電池中的主要功能包含實現充放電和安全保障兩個方面。

相比較消費類鋰離子電池，鋰離子動力電池在新能源汽車上使用時，需要提供更高的電壓、更大的功率以及更多的電量。隔膜作為電池的關鍵零部件之一，隔膜性能的優(yōu)勢決定電池的界面結構和內阻，進而影響電池的容量、循環(huán)性能，充放電電流密度等關鍵特性。

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

性能優(yōu)異的隔膜對提高動力鋰電池的綜合性能有重要作用，因此對鋰離子動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，以防止正負極接觸短路或是被毛刺、顆粒、枝晶刺穿而出現的短路;

(2)具有足夠的穿刺強度、拉伸強度等，并在突發(fā)的高溫條件下基本保持尺寸的穩(wěn)定，不會熔縮導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，有足夠的化學和電化學穩(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

按照鋰離子電池隔膜的結構特點，可將其分為聚烯烴微孔膜、無紡布制造膜以及涂層復合膜等種類：

(1)聚烯烴微孔膜：聚烯烴隔膜是目前最主流的動力鋰離子電池隔膜，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、較高的抗撕裂強度、較好的抗酸堿能力、良好的彈性及對非質子溶劑的保持性能。但其耐熱性能、吸電解液性能以及耐電化學氧化性能均相對較差，無法滿足動力鋰離子電池技術發(fā)展的要求。

一般會對其進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加入或者復合具有親液性能、耐高溫性能的特性材料，以獲得性能更加優(yōu)異的復合隔膜。

(2)無紡布基隔膜以及涂層復合膜：無紡布基隔膜按其材質分有PP無紡布、PET無紡布、纖維素類無紡布、PI無紡布等。這一類隔膜的優(yōu)點是較高的耐高溫性、在低溫保持輸出能力并且循環(huán)壽命長，機械性能適中的特點。

與聚烯烴型的隔膜相比，它的特點是呈現三維孔的結構。有研究認為該結構可有效避免因為針孔造成的短路現象，并有效提高保濕率。但是無紡布基隔膜的缺點比如孔徑較大且分布不均勻限制了進一步的應用。因此通常對其進行改性處理，常用的方式有納米顆粒改性無紡布隔膜、微孔涂層涂覆改性無紡布隔膜、靜電紡絲隔膜。

聚烯烴隔膜和無紡布基隔膜均存在一定的缺點，因此通常采用轉移涂布或浸漬的方式制作涂層復合隔膜來改變提高隔膜的性能。涂層復合膜根據涂層的成份不同可分為：有機涂層復合膜、無機涂層復合膜、有機/無機雜化涂層復合膜三種。

制備方法

(1)干法：

干法是將聚烯烴樹脂熔融、擠壓、吹制成結晶性高分子薄膜，經過結晶化熱處理、退火后得到高度取向的多層結構，在高溫下進一步拉伸，將結晶截面進行剝離，形成多孔結構。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。

干法是常用的制備工藝，方法簡單且無污染，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題是溫度升高時隔膜易收縮甚至熔化，嚴重威脅到動力鋰離子電池的安全。

(2)濕法：

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

在溫度降低時發(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，但濕法制備的設備要求精度高，投入大，生產成本和難度也要高于一般的薄膜制備技術。

(3)新型制備方法

輻射法是指高分子膜經電子線、γ射線等輻照，在離子通過的路徑上由于高密度能量沉積使其周圍原子電離和激發(fā)，導致聚合物分子的長鏈斷裂、重排和產生自由基，在此區(qū)域內材料有較高的化學反應能力，可以通過化學試劑蝕刻形成孔洞。

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中，高分子溶液的流束被分割為若干細流，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械強度。

總結：

在技術發(fā)展領域，隔膜已從單一的聚烯烴類材料向多種材料、復合材料的方向發(fā)展，從簡單結構向復雜結構發(fā)展。對隔膜的研究目標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)展的進程中，新型隔膜發(fā)展的機會將進一步顯現。

2016年全球鋰電池隔膜銷量將達到18億平方米，應用于動力電池隔膜比例將大幅上升。但國內的高端隔膜市場仍然以進口產品為主，鋰電池隔膜由于投資風險大、技術門檻高，一直未能實現國內大規(guī)模生產，成為制約我國鋰電池行業(yè)發(fā)展的瓶頸。

為此，我國的科研單位和相關企業(yè)需要加強溝通和協作，通過產、學、研相結合為隔膜技術的提高乃至動力電池技術的提高做出該有的貢獻，實現中國新能源汽車的彎道超車。