鉅大LARGE | 點(diǎn)擊量：1768次 | 2021年05月13日
鋰離子電池隔膜材料的研究與進(jìn)展
鋰離子電池是一種二次電池，它重要依靠鋰離子在正極和負(fù)極之間移動(dòng)來工作。鋰離子電池由以下5個(gè)部分組成：正極材料、負(fù)極材料、有機(jī)電解質(zhì)、隔膜和電池外殼。其中，隔膜是鋰離子電池的關(guān)鍵組成部分之一，有兩個(gè)至關(guān)重要的用途：
1.在正負(fù)極之間起電子絕緣的用途：具有良好絕緣性的隔膜為電池供應(yīng)了良好的安全保障，且良好的抗穿刺強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度可以防止因隔膜被毛刺和枝晶穿破而導(dǎo)致電池內(nèi)部短路的發(fā)生。此外，隔膜的厚度和熱穩(wěn)定性也是影響鋰離子電池安全的重要因素。
2.為鋰離子供應(yīng)遷移微孔通道，決定電池的充放電和循環(huán)性能，因此隔膜要具有較高孔隙率且微孔分布均勻。
一、鋰離子電池隔膜的研究現(xiàn)狀
根據(jù)不同的物理、化學(xué)特性，鋰離子電池隔膜材料可分為以下幾種類型：微孔隔膜、改性微孔隔膜、無紡布隔膜、復(fù)合膜和電解質(zhì)膜。微孔隔膜可分為單層和多層微孔膜，重要取決于層數(shù)。改性微孔隔膜是通過對(duì)傳統(tǒng)的微孔隔膜表面改性得到的，通常所用的改性方法為等離子體和輻射引發(fā)接枝或在表面涂覆一層不同的聚合物。無紡布隔膜由纏繞的纖維結(jié)合在一起組成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，采用熔噴法、濕鋪法和靜電紡絲技術(shù)制備，由于具有小的纖維直徑，無紡布隔膜相對(duì)其他隔膜有高的孔隙率。復(fù)合隔膜通過對(duì)微孔膜或無紡布膜涂層或填充無機(jī)材料制備得到，因此具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和潤(rùn)濕性。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
1.微孔隔膜
微孔隔膜的研究重要集中于PE、PP單層隔膜和PE/PP和PP/PE/PP等多層復(fù)合隔膜。這些聚烯烴微孔隔膜廣泛應(yīng)用的原因在于其可以供應(yīng)良好的機(jī)械性能和化學(xué)穩(wěn)定性。但由于這一類聚合物普遍熔點(diǎn)偏低（PE在130℃左右時(shí)熔化），當(dāng)電池由于長(zhǎng)時(shí)間工作而溫度升高時(shí)，微孔聚烯烴隔膜易發(fā)生熱收縮導(dǎo)致大面積正負(fù)極接觸，引發(fā)短路從而造成電池起火爆炸。此外，聚烯烴微孔隔膜較差的電解液浸潤(rùn)性使得電池的電化學(xué)性能無法進(jìn)一步提高。
針關(guān)于這類材料的特點(diǎn)，研究者從制備工藝改善的角度出發(fā)來提高微孔隔膜的綜合性能。一般來說微孔隔膜的制備方法有兩種，即干法（熔融擠出拉伸法，MSCS）和濕法（熱致相分離法，TIPS）。干法工序簡(jiǎn)單且生產(chǎn)效率高，不會(huì)出現(xiàn)污染物質(zhì)，但無法精確地控制隔膜的孔徑和孔隙率。濕法工藝制備的微孔隔膜孔徑小并且均勻，但工藝復(fù)雜、成本較高，不易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。
近些年，超高分子量聚乙烯隔膜（UHMWPE）的研發(fā)受到極大重視。其以下優(yōu)點(diǎn)使得電池的安全性大大提高：
①優(yōu)異的抗外力穿刺能力降低了電池的短路率；
IP67防水，充放電分口 安全可靠
標(biāo)稱電壓：28.8V
標(biāo)稱容量：34.3Ah
電池尺寸：(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域：勘探測(cè)繪、無人設(shè)備
②良好的耐熱性能提高了閉孔溫度和破膜溫度；
③高溫環(huán)境下的尺寸穩(wěn)定性和耐腐蝕性。
2.改性微孔隔膜
目前，在鋰離子電池中廣泛應(yīng)用的隔膜是由聚烯烴尤其是微孔PE和PP膜制成的。然而聚烯烴隔膜的熱穩(wěn)定性和潤(rùn)濕性較差，為了改善這些性能，需采用一系列改性方法來改變微孔聚烯烴隔膜的結(jié)構(gòu)。其中一種高效而簡(jiǎn)單的方法是在膜表面接枝親水性單體，目前應(yīng)用較多的接枝技術(shù)包括等離子體、UV照射和電子照射。
3.無紡布隔膜
無紡布通常是由隨機(jī)取向的纖維通過化學(xué)和機(jī)械方法粘結(jié)而成。傳統(tǒng)制備無紡布的方法為干法（熔噴法）、濕法（濕鋪法）和造紙法，采用傳統(tǒng)方法制備的隔膜具有相對(duì)大的纖維直徑和孔徑，通常用作鉛酸電池的隔膜，不宜用在鋰離子電池中。為了降低纖維直接和孔徑，采用靜電紡絲技術(shù)制備適用于鋰離子電池的無紡布隔膜。靜電紡絲法制備的納米纖維無紡布具有孔徑小且分布均勻、孔隙率高、吸液率高和比表面積高等優(yōu)點(diǎn)。
許多聚合物可以用來制備靜電紡絲纖維膜，例如：聚偏氟乙烯（PVDF）、聚丙烯腈（PAN）和聚間苯二甲酰間苯二胺（PMIA）等。
4.復(fù)合隔膜
一般來說，納米纖維隔膜在靜電紡絲制備過程中纖維是無序堆積的，其機(jī)械強(qiáng)度較低，關(guān)于隔膜的防刺透性和熱穩(wěn)定性不利。為了提高其機(jī)械性能，研究者在纖維隔膜中引入第二相無機(jī)顆粒形成復(fù)合材料，從而提高其機(jī)械強(qiáng)度。常用的納米無機(jī)顆粒有三氧化二鋁（Al2O3）、二氧化硅（SiO2）和二氧化鈦（TiO2），它們可以顯著地改善機(jī)械強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性，提高鋰離子電池的安全性能。同時(shí)，在聚合物膜中添加無機(jī)顆粒可以降低結(jié)晶傾向并提高鋰離子遷移能力，也能夠利用無機(jī)顆粒的高親水性和大的比表面積使隔膜出現(xiàn)良好的潤(rùn)濕性。
二、總結(jié)
順應(yīng)綠色、環(huán)保大環(huán)境的鋰離子電池行業(yè)正在快速發(fā)展，作為鋰離子電池關(guān)鍵材料之一的隔膜，其市場(chǎng)需求也在快速上升。具有高孔隙率、高熔點(diǎn)、高機(jī)械強(qiáng)度以及良好的熱穩(wěn)定性和電解液潤(rùn)濕性是今后鋰離子電池隔膜的發(fā)展方向。鋰離子電池隔膜可以從以下兩個(gè)方面改進(jìn)：
1.聚烯烴改性隔膜的涂層技術(shù)相對(duì)簡(jiǎn)單，工藝和設(shè)備已經(jīng)非常成熟且成本低，是改善聚烯烴隔膜耐熱性和提高電解液潤(rùn)濕性的有效途徑；
2.改變隔膜基體材料，研究新材料體系。例如：聚酰亞胺(PI)具有耐高溫和機(jī)械強(qiáng)度高的特性，可用PI替代傳統(tǒng)聚烯烴材料，但PI的成本較高，可考慮將PI和PE結(jié)合使用，同時(shí)發(fā)展相應(yīng)的生產(chǎn)制備技術(shù)。
