锂电池隔膜发展现状及应用趋势研究

锂电池隔膜发展现状及应用趋势研究

雷洪钧（博士）

（江汉大学动力电池热管理专业研究生导师）

锂电池隔膜作为新能源电池生产的关键材料，广泛应用于新能源汽车动力电池、3C消费电池、储能电池等领域。下面对其发展现状及趋势应用研究予以介绍。

一、锂电池隔膜地位及作用

隔膜材质物理化学性能的优劣决定了电池的界面结构、内阻等，隔膜的质量直接影响电池的放电容量、充放电循环使用寿命以及阻燃止爆安全性能的好坏。

因此性能优异的隔膜对提高电池的综合性能具有重要的作用。

二、锂电池隔膜工作原理及功能

在锂电池的结构中，电池隔离膜BSF（battery separator film）是支撑锂离子电池完成充放电电化学过程的重要构件，是锂电池四大核心材料之一（其余三种为正极材料、负极材料、电解液）。

隔膜位于锂电池的正极和负极之间，其功能是：

①使电池的正、负极活性物质分隔开来，防止两极接触而短路；

②同时薄膜中的微孔允许电解液中的载流锂离子通过，形成充放电回路。

③正常情况下，离子自由穿梭到达正负极，完成充放电的循环。

三、锂电池隔膜结构及类别

比较常见的主要有三种：多孔聚合物膜、非织造布及其复合隔膜、纤维素纸基及其复合隔膜。

1.多微孔聚合物膜

多微孔聚合物膜是指通过机械方法、热致相分离法、浸没沉淀法等多种方法制备的孔隙分布均匀的锂电池隔膜。

1.1微孔聚烯烃隔膜优点与缺点

①微孔聚烯烃隔膜的优点：

a）具有良好的拉伸强度和穿刺强度；

b）电池在反复充放电循环过程中产生大量热量；

c）软化和熔化温度较低的聚烯烃材料可以在不同温度下通过关闭孔结构，起到保护电池的作用。

②微孔聚烯烃隔膜的缺点：

继续切断了锂离子的传输路径，还会导致电池内短路甚至爆炸，引发安全问题。

1.2无纺布隔膜及无机复合膜

目前采用静电纺丝工艺流生产的锂离子电池隔膜具有厚度薄、孔隙率高、孔径小、渗透性高、比表面积大等优点，聚偏氟乙烯和聚丙烯腈因其自身优良的特性是静电纺丝法制备锂离子电池隔膜的理想原材料。

无机复合膜多是采用无机纳米颗粒以及高聚合物复合而得到的锂电池隔膜。

1.3纤维素纸基及其复合隔膜

以天然纤维或再生纤维为主要原料，添加无机或有机粒子，通过打浆、配浆、抄纸、干燥、压光等步骤制成纤维素纸隔膜。其具有高孔隙率，良好的电解液润湿性、热稳定性和尺寸稳定性等优势，可使电池具有更好的循环性能和更低的电阻抗。其制备过程如下图所示。

纤维素广泛存在于树木、植物、果实、树皮和叶片中，是环境友好的可再生线形高分子化合物，因其优良的亲水性、热稳定性、可生物降解性被应用于制浆造纸、纺织、废水处理和日化等各个行业。纤维素及其衍生物由于独特的功能结构，是一种非常有前途的电池材料，可以用于优化锂离子电池隔膜的性能研究。下图为耐热纤维素基隔膜－掺杂了表面接枝卤素和磷基分子的Al2O3陶瓷。

四、锂电池隔膜生产工艺

现在隔膜工艺有干法pp，湿法pe，陶瓷涂覆和有机涂覆，相转化隔膜，无纺布隔膜各种新材料新工艺体系等。干法双向拉伸隔膜制造工艺流程简图如下。干法pp，类似于硬弹性纤维的工艺，大致过程有：

①熔体挤出。在温度场和应力场的作用下，形成高度取向的片晶结构。主要是通过大的牵伸比和风刀的辅助冷却控制分子取向，快速冷却阻止分子松弛。

②热处理。完善晶体结构，提高结晶度。晶区会熔融再结晶，非晶区二次结晶。厚度会增厚

③拉伸。常温拉伸，形成初始狭缝孔洞，之后高温拉伸，扩大孔洞。

④热定型。固定孔结构，消除内应力。

五、锂电池隔膜存在的不足

1.聚烯烃类锂离子电池隔膜的不足

在高温充放电过程中，聚烯烃类锂离子电池隔膜有时会收缩变形，导致电动汽车自燃和手机等设备发生爆炸，严重危害人身生命安全。

2.静电纺丝非织造布隔膜的不足

静电纺丝非织造布隔膜具有优良的热稳定性和电解液润湿性，但其强度还有待提高，低强度不仅会使隔膜在电池组装过程中断裂，而且很容易使隔膜被充放电过程中产生的锂枝晶刺破，导致电池正负两极相互接触。

3.纤维素纸基隔膜的不足

目前仅在某些特定结构的锂离子电池中得到了应用。

六、锂电池隔膜发展趋势

锂电池隔膜发展趋势是两个方向，一是改变膜厚度和电池结构，二是开发多层膜、改良膜、新颖隔膜来提高热稳定性。

①随着锂离子电池能量密度的逐年提升，非活性物质的量也是越来越少，隔膜也越来越薄，厚度达到4mm。

②聚合物电解质的固态电池具有电解质和隔膜的双重作用，未来将作为电动汽车的重点使用。