鉅大LARGE | 點擊量：324次 | 2023年08月16日
動力鋰電池隔膜技術是未來的發展嗎？
作為鋰離子電池的關鍵材料，電池隔膜在其中扮演著電子隔絕的用途，阻止正負極直接接觸，允許電解液中鋰離子自由通過，同時，隔膜關于保障電池的安全運行也起至關重要的用途。在特殊情況下，如事故、刺穿、電池濫用等，會發生隔膜局部破損而造成正負極的直接接觸，從而引發劇烈的電池反應造成電池的起火爆炸。
01 鋰電隔膜經歷的層層測
1.厚度
隨著電池能量密度的提高，電池的隔膜也越來越薄，測量的精度也要求越來越高。由于隔膜材質軟，測量很難準確，目前也沒有可以參考的標準方法。
測試方法：根據隔膜的種類選擇不同的測試的方法，多測幾個點保證隔膜厚度的一致性。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
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%
2.彎曲度
指隔膜分切后出現的弧形，弧形明顯時會造成疊片不齊，卷繞時出現渦狀，造成極片外露進而短路。
測試方法：將隔膜條平鋪于桌面上，與鋼板尺邊緣進行平行度的比較。
3.透氣度
隔膜在一定條件下一定體積的空氣通過隔膜所要的時間，也稱作Gurley值。
測試方法：一般采用ASTM測試法。
4.孔隙率
空隙的體積占整個體積的比例；
測試方法：吸液計算法或壓汞測試法；
5.孔徑分布
測試方法：采用毛細管流動分析儀進行測量，采用惰性氣體沖破已潤濕的隔膜，測量氣體流出的壓力值，通過計算得到孔徑參數。
6.浸潤性
測試方法：接觸角測量法。
7.表面狀態
測試方法：SEM。
8.機械性能
1）拉伸強度、延伸率：反映隔膜橫向（TD）和縱向（MD）的機械性能，拉伸到隔膜直到斷裂為止的力，一般用拉力儀進行測量，干法和濕法可以看出有顯著差別；
2）穿刺強度：評估外界尖銳物體穿透隔膜時的力，與電池的安全性能強相關，用專用的測試設備可以測出。
9.熱性能
1）熱收縮率：加熱前后隔膜尺寸的變化率，也分為橫向（TD）和縱向（MD）的收縮率，現在各個廠家的測試溫度和時間都是不同的，有85℃2h、90℃24h、105℃2h，130℃0.5h等等，根據不同的要可進行不同的測試；隨著陶瓷隔膜的應用，隔膜的熱收縮率也是越來越低；
2）DSC測試：重要測試隔膜的閉孔以及破膜的溫度，用差式掃描量熱儀進行測量。
10.電性能
將隔膜和正負極、電解液組裝到一起進行倍率、高低溫、存儲、循環、內阻、安全等測試比較不同隔膜的性能。
02聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）膜的優缺點
我國鋰離子電池隔膜行業處于高速發展的階段，濕法隔膜逐漸成為主流的技術路線，但同時國產隔膜整體技術水平與國際一線公司技術水平還有較大差距。
當前，市場上商業化的鋰離子電池隔膜重要是以聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）為主的微孔聚烯烴隔膜。
優點：PE和PP膜憑借著較低的成本、良好的機械性能、優異的化學穩定性和電化學穩定性等，因此目前應用廣泛。
缺點：
其疏液表面和低的表面能導致這類隔膜對電解液的浸潤性較差，影響電池的循環壽命。
熱變形溫度比較低（PE的熱變形溫度80～85℃，PP為100℃），溫度過高時隔膜會發生嚴重的熱收縮，因此這類隔膜不適于在高溫環境下使用，無法滿足現今3C產品及動力鋰電池的使用要求。
03 新型鋰電隔膜材料
針對鋰離子電池技術的發展需求，研究者們發展了各種新型鋰電隔膜材料。非織造隔膜通過非紡織的方法將纖維進行定向或隨機排列，形成纖網結構，然后用化學或物理的方法進行加固成膜，使其具有良好的透氣率和吸液率。
天然材料和合成材料已經廣泛應用于制備無紡布膜，天然材料重要包括纖維素及其衍生物，合成材料包括聚對苯二甲酸乙二酯（PET）、聚偏氟乙烯（PVDF）、聚偏氟乙烯－六氟丙烯（PVDF－HFP）、聚酰胺（PA）、聚酰亞胺（PI）、芳綸（間位芳綸，PMIA；對位芳綸PPTA）等。
1．聚對苯二甲酸乙二酯
聚對苯二甲酸乙二酯（PET）是一種機械性能、熱力學性能、電絕緣性能均優異的材料。PET類隔膜最具代表性的產品是德國Degussa公司開發的以PET隔膜為基底，陶瓷顆粒涂覆的復合膜，其表現出優異的耐熱性能，閉孔溫度高達220℃。
湘潭大學以靜電紡絲制備PET隔膜，其熔點遠高于PE膜，為255℃，最大拉伸強度為12Mpa，孔隙率達到89％，吸液率達到500％，遠高于市場上的Celgard隔膜，離子電導率達到2．27×10－3Scm－1，且循環性能也較Celgard隔膜優異，電池循環50圈后PET隔膜多孔纖維結構依然保持穩定。
2．聚酰亞胺
聚酰亞胺（PI）同樣是綜合性能良好的聚合物之一，具有優異的熱穩定性、較高的孔隙率，和較好的耐高溫性能，可以在－200～300℃下長期使用。Miao等（2013）用靜電紡絲法制造的PI納米纖維隔膜降解溫度為500℃，在150℃高溫條件下不會發生老化和熱收縮。由于PI極性強，對電解液潤濕性好，所制造的隔膜表現出最佳的吸液率。靜電紡絲制造的PI隔膜相比于Celgard隔膜具有較低的阻抗和較高的倍率性能，0．2C充放電100圈后容量保持率依然為100％。
3．聚對苯撐苯并二唑
新型高分子材料PBO（聚對苯撐苯并二唑）是一種具有優異力學性能、熱穩定性、阻燃性的有機纖維。其基體是一種線性鏈狀結構聚合物，在650℃以下不分解，具有超高強度和模量，是理想的耐熱和耐沖擊纖維材料。
郝曉明等通過相轉化法制備了PBO納米多孔隔膜。該隔膜的極限強度可達525Mpa，楊氏模量有20GPa，熱穩定性可達600℃，隔膜接觸角為20，小于Celgard2400隔膜的45接觸角，離子電導率為2．3×10－4Scm-1，循環條件下表現好于商業化Celgard2400隔膜。
但是由于PBO原纖維的制造工藝較難，全球范圍生產優良PBO纖維的公司屈指可數，且均是采用單體聚合的方式，生產出的PBO纖維因要強酸處理較難應用在鋰離子電池隔膜領域。
4.復合薄膜
通過熱壓法制備的三明治結構的無紡布復合隔膜，顯著改善了陶瓷層的脫落、改善電池的自放電等性能。(部分圖片引自鋰電聯盟會長)
通過靜電紡絲法制備的PI納米纖維膜，不近改善了隔膜本身的機械強度，也在吸收電解液以及離子電導率方面也有了顯著改善。
