一文搞懂鋰離子電池隔膜！

大家好，小科來為大家解答以上問題。一文搞懂鋰離子電池隔膜！這個(gè)很多人還不知道，現(xiàn)在讓我們一起來看看吧！

1、一、隔膜功能：

2、隔離正負(fù)電極，阻止電子自由通過；讓電解液中的離子在正負(fù)電極之間自由通過。

3、其性能決定了電池的界面結(jié)構(gòu)和內(nèi)阻，直接影響電池的容量、循環(huán)和安全性能。

4、二、隔膜特點(diǎn)：

5、隔膜必須具有良好的絕緣性、對(duì)電解質(zhì)良好的親和力、良好的耐溫性和潤(rùn)濕性以及對(duì)電解質(zhì)良好的液體保持性。

6、該隔膜可防止正負(fù)極接觸短路或被毛刺、顆粒、鋰枝晶等刺穿而造成短路。

7、隔膜具有拉伸和擊穿強(qiáng)度，不易撕裂，高溫下熱收縮穩(wěn)定，不會(huì)因熱收縮造成電池短路和熱失控。

8、在過充或溫度升高的情況下，可以限制電流的增加，防止電池因短路而爆炸，通過閉孔功能阻斷電池內(nèi)的電流傳導(dǎo)，具有微孔自閉保護(hù)功能，對(duì)電池使用者和設(shè)備起到安全保護(hù)作用。

9、膜必須具有高孔隙率和均勻分布的微孔。

10、材料本身的特性和成膜后的孔隙特性限制了鋰離子在電池中的遷移，即高離子電導(dǎo)率。

11、三。隔膜的分類

12、根據(jù)鋰離子電池隔膜的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和生產(chǎn)工藝，可分為微孔聚烯烴膜、改性聚烯烴膜、無紡布膜、涂層復(fù)合膜、納米纖維膜和固體電解質(zhì)膜五大類。

13、1微孔聚烯烴薄膜

14、經(jīng)過不斷的技術(shù)更新和實(shí)際應(yīng)用，聚烯烴微孔膜已經(jīng)成為目前綜合性能最好、工業(yè)化的鋰離子電池隔膜。

15、根據(jù)生產(chǎn)工藝的不同，可分為單層膜和多層膜，即聚丙烯(PP)單層膜、聚乙烯(PE)單層膜和PP/PE/PP三層復(fù)合膜。

16、以聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)為代表的聚烯烴微孔膜具有性能優(yōu)異、化學(xué)穩(wěn)定性好、成本低等特點(diǎn)，在鋰電池隔膜中占據(jù)主導(dǎo)地位。

17、2改性聚烯烴薄膜

18、并且PE隔板對(duì)電解質(zhì)的親和力、耐溫性和潤(rùn)濕性差。

19、通過在單層聚烯烴膜中添加或復(fù)合具有親液性和耐高溫性的材料，在PE和PP微孔膜表面接枝親水性單體或改變電解質(zhì)中的有機(jī)溶劑等?？梢垣@得性能優(yōu)異的復(fù)合膜，這是當(dāng)前制備高性能膜的發(fā)展趨勢(shì)。

20、宋等將耐熱性好的聚芳酯材料涂在PE膜上形成復(fù)合膜，多孔聚合物的熔融溫度高達(dá)180。

21、胡成等人在Celgard2400單層PP膜表面涂覆了摻雜納米SiO2的聚氧化乙烯，提高了膜的潤(rùn)濕性，明顯改善了其流通性。

22、RYOU等人用浸涂法將多巴胺涂在PE膜上。得到的改性膜具有更高的電解質(zhì)吸附性能，有效提高了膜的高倍率循環(huán)性能。

23、KIM使用PVDF/SiO2混合物對(duì)聚烯烴隔膜進(jìn)行改性，得到了兼具PVDF親電解質(zhì)特性和SiO2耐高溫性能的復(fù)合隔膜。在2C放電倍率下，電池的充放電效率達(dá)到94%。

24、方等用聚乙二醇接枝聚多巴胺涂層改性聚丙烯薄膜。改性后，膜的吸液速率提高，界面電阻降低。

25、3無紡布隔膜

26、與聚烯烴膜相比，無紡布膜具有更好的熱尺寸穩(wěn)定性、安全性、潤(rùn)濕性和多孔性。

27、無紡布通常是由特制的纖維定向或隨機(jī)排列而成，其結(jié)構(gòu)呈網(wǎng)狀，然后通過機(jī)械、熱粘合或化學(xué)交聯(lián)等方式進(jìn)行增強(qiáng)。

28、包括天然和合成纖維材料，例如天然纖維素及其衍生物、合成聚烯烴纖維、聚酰胺(PA)纖維和聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)纖維等。無紡布具有良好的力學(xué)性能和較高的熔融溫度，在使用中能保持尺寸穩(wěn)定性。

29、張松等制備了BC/TiO2復(fù)合薄膜

30、JUNG等以PMMA/聚氯乙烯（PVC）復(fù)合纖維膜制作的電池電化學(xué)穩(wěn)定窗口為4.7V。

31、在鋰離子半電池體系中，0.5C 循環(huán)100次容量幾乎無衰減。

5 涂層復(fù)合膜

無紡布隔膜較厚，孔徑較大且均勻性較差，抗拉伸機(jī)械強(qiáng)度差。

34、通常采用轉(zhuǎn)移涂布或浸漬的方式制作涂層復(fù)合隔膜以提升隔膜的綜合性能。

35、復(fù)合隔膜以干法、濕法以及非織造布為基材，在基材上涂覆無機(jī)陶瓷顆粒層或復(fù)合聚合物層的復(fù)合型多層隔膜。

根據(jù)涂層的成份不同可分為：有機(jī)涂層復(fù)合膜、無機(jī)涂層復(fù)合膜、有機(jī)/無機(jī)雜化涂層復(fù)合膜、原位復(fù)合四種。

無機(jī)涂層

無機(jī)復(fù)合膜也稱陶瓷膜，由少量的粘合劑與無機(jī)粒子復(fù)合而成的多孔膜。

39、無機(jī)復(fù)合膜具有良好的柔韌性、高力學(xué)強(qiáng)度、高熱穩(wěn)定性、優(yōu)良的耐高溫性、優(yōu)良的電解液潤(rùn)濕和吸附性能，目前已經(jīng)有一些隔膜企業(yè)產(chǎn)業(yè)化。

40、陶瓷材料熱阻大，可以防止高溫時(shí)熱失控的擴(kuò)大，提高電池的熱穩(wěn)定性。

表面涂覆Al2O3系列： 楊保全以聚乙烯（PE） 濕法膜為基體，在其兩側(cè)均勻涂覆Al2O3顆粒，得到一種復(fù)合涂層PE鋰離子電池隔膜，明顯提高鋰離子電池的熱安全性能、離子電導(dǎo)率及循環(huán)性能。

JEONG等利用原子層沉積技術(shù)在PP微孔膜表面沉積厚度約6nm的Al2O3陶瓷層，有效改善PP基膜的耐熱性和親液性。

43、X．Huang將纖維與Al2O3混合制備成復(fù)合隔膜，利用浸涂法再涂覆一層PVDF膜處理后的復(fù)合隔膜循環(huán)性能穩(wěn)定，250℃時(shí)幾乎無收縮。

J．Lee等研究聚酰亞胺膜表面涂覆Al2O3/PVDF－HFP，使隔膜的潤(rùn)濕性提高，延緩了電池阻抗的增長(zhǎng)。

表面涂覆SiO2系列： YOO等采用涂覆工藝在PE隔膜上涂覆納米SiO2，獲得具有SiO2層的陶瓷化PE隔膜，耐熱溫度提高至170℃（PE135℃）。

46、H．S．Jeong等研究了不同粒徑SiO2對(duì)復(fù)合隔膜性能的影響，40nmSiO2制備的復(fù)合隔膜孔隙率最高，循環(huán)200次后SiO2未溶解。

47、華東理工大學(xué)的楊云霞團(tuán)隊(duì)通過在PE膜上涂覆一水軟鋁石，處理后隔膜在140℃下幾乎無熱收縮，在180℃下處理0.5h的熱收縮＜3% ，明顯提高了隔膜的熱穩(wěn)定性。

48、用特定的機(jī)器或者器具將混合均勻的漿料涂覆在基膜的表面，得到含 TiO2 /BaTiO3的復(fù)合隔膜。

有機(jī)涂層

無機(jī)涂層缺點(diǎn)是嚴(yán)重的孔洞堵塞和較大的離子轉(zhuǎn)移電阻等問題，影響隔膜對(duì)電解液的浸潤(rùn)性和電池的循環(huán)性能。

51、為了解決這些問題，研究者嘗試了用聚合物納米顆粒、聚合物纖維、PVDF、PAN、PMMA、PEO等作為涂層材料來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的致密涂層，高孔隙率的納米多孔結(jié)構(gòu)，達(dá)到提高隔膜對(duì)電解液的潤(rùn)濕性和電池離子電導(dǎo)率的目的。

的胡繼文團(tuán)隊(duì)采用多次浸漬法將芳綸纖維（ANF） 涂覆在PP膜表面，涂覆后的隔膜尺寸穩(wěn)定性好，倍率和循環(huán)性能明顯改善。

有機(jī)/無機(jī)復(fù)合涂層

有機(jī)/無機(jī)復(fù)合涂層隔膜即將無機(jī)納米粒子和有機(jī)聚合物混合，混合均勻的漿料涂覆在隔膜基材上。

55、華南師范大學(xué)的李偉善課題組在PE隔膜表面涂覆摻入CeO2陶瓷顆粒的四元聚合物 P（MMA－BA－AN－St） 制備的復(fù)合隔膜。

56、對(duì)比不同陶瓷含量（0、10%、50%、100%、150%和200%） 對(duì)電解液保持率和離子電導(dǎo)率影響，50%濃度左右的陶瓷含量最佳。

原位復(fù)合

原位復(fù)合是在成膜漿料中預(yù)先分散進(jìn)陶瓷顆粒或聚合物纖維等，通過濕法雙向拉伸或者靜電紡絲制成隔膜。

59、相比有機(jī)或無機(jī)涂層，原位復(fù)合隔膜解決了涂層在表面脫落的問題，形成均一的開放式孔洞結(jié)構(gòu)。

東華理工大學(xué)提出使用抽濾的方式將陶瓷納米顆粒加入到靜電紡絲PVDF/PAN隔膜中，制備的復(fù)合隔膜陶瓷負(fù)載量達(dá)到67.5% ，陶瓷顆粒分布均勻，具有優(yōu)良的綜合性能。

6 固體電解質(zhì)膜

傳統(tǒng)鋰離子電池使用易揮發(fā)性有機(jī)電解液，存在安全隱患，全固態(tài)鋰離子電池使用固體電解質(zhì)（ 主要有無機(jī)電解質(zhì)和聚合物電解質(zhì)兩大類） 安全性更高。

無機(jī)固體電解質(zhì)

無機(jī)固體電解質(zhì)包括晶型和非晶型，目前實(shí)際應(yīng)用前景較好的為L(zhǎng)iPON電解質(zhì)及硫化物電解質(zhì)，該類電解質(zhì)材料一般是通過濺射或粉末燒結(jié)工藝制備。

65、LI等利用濺射方法制備了結(jié)構(gòu)為Pt/LiCoO2/LiPON/SnxNy/Pt，厚度僅為7.6μm的薄膜電池。

66、在≤150℃時(shí)電池容量保持率高，高溫性能較好，150℃的放電容量為20℃時(shí)的87% 。

聚合物電解質(zhì)

聚合物電解質(zhì)是由聚合物和鋰鹽構(gòu)成的離子導(dǎo)電的復(fù)合體系。

69、近些年主要有全固態(tài)聚合物電解質(zhì)、凝膠態(tài)電解質(zhì)、微孔凝膠聚合物電解質(zhì)、復(fù)合聚合物電解質(zhì)四大類。

70、全固態(tài)聚合物電解質(zhì)（SPE）是由能使鋰鹽溶解和離子遷移的聚合物和鋰鹽結(jié)合而成。

四、隔膜制備

隔膜的制備方法市場(chǎng)上主流的鋰電池隔膜生產(chǎn)工藝主要分為干法和濕法兩大類，即干法（熔融拉升工藝） 和濕法（熱致相分離工藝） ，其隔膜微孔的成孔機(jī)理不同。

1 干法工藝

干法是將聚烯烴樹脂熔融、擠壓、吹膜制成結(jié)晶性聚合物薄膜，經(jīng)過結(jié)晶化處理、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)晶界面進(jìn)行剝離，形成多孔結(jié)構(gòu)，可以增加薄膜的孔徑。

干法按拉伸方向不同可分為干法單向拉伸和雙向拉伸。

76、其中，單向拉伸工藝的核心專利主要為和的企業(yè)所有;化學(xué)研究所擁有雙向拉伸PP方面的國(guó)內(nèi)專利。

77、干法單向拉伸工藝制備薄膜先在低溫下進(jìn)行拉伸形成銀紋等缺陷，再在高溫下使缺陷拉開，形成微孔。

78、目前Celgard公司、宇部公司均采用此種工藝生產(chǎn)單層PE、PP以及3層PP/PE/PP復(fù)合膜。

該工藝生產(chǎn)的隔膜具有扁長(zhǎng)的微孔結(jié)構(gòu)，由于只進(jìn)行單向拉伸，隔膜的橫向強(qiáng)度比較差，但橫向幾乎沒有熱收縮、產(chǎn)品相對(duì)于濕法制得的隔膜較厚，且易縱向撕裂。

80、干法雙向拉伸工藝與單向拉伸相比，其在橫向方向的強(qiáng)度有所提高，而且可以根據(jù)隔膜對(duì)強(qiáng)度的要求，適當(dāng)改變橫向和縱向的拉伸比來獲得所需性能，且雙向拉伸的微孔孔徑更均勻，透氣性更好。

81、干法拉伸工藝較簡(jiǎn)單，且無污染，是制備鋰離子電池隔膜的常用方法，但該工藝存在孔徑及孔隙率較難控制，拉伸比較小，同時(shí)低溫拉伸時(shí)易導(dǎo)致隔膜穿孔，產(chǎn)品較厚。

2 濕法工藝

濕法即相分離法或熱致相分離法，將液態(tài)烴或一些小分子物質(zhì)與聚烯烴樹脂混合，加熱熔融后，形成均勻的混合物，然后降溫進(jìn)行相分離，壓制得膜片;再將膜片加熱至接近熔點(diǎn)溫度，進(jìn)行雙向拉伸使分子鏈取向，保溫后用溶劑萃取形成微孔制備得微孔膜材料。

84、的旭化成、東然、日東以及的Entek等企業(yè)用這種方法生產(chǎn)單層PE電池隔膜。

用濕法雙向拉伸方法生產(chǎn)的隔膜成孔分散均勻，對(duì)電解液的潤(rùn)濕性較好，呈現(xiàn)各向同性，橫向拉伸強(qiáng)度高，穿刺強(qiáng)度大，正常的工藝流程不會(huì)造成穿孔、不易撕裂，產(chǎn)品可以做得更薄，使電池能量密度更高。

86、國(guó)內(nèi)動(dòng)力和儲(chǔ)能電池主要采用PP隔膜，3C電池主要采用PE隔膜。

87、從成本和技術(shù)兩個(gè)維度考量，干法短期將主導(dǎo)國(guó)內(nèi)動(dòng)力隔膜市場(chǎng)，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，濕法工藝是今后技術(shù)的主流趨勢(shì)。

3 靜電紡絲工藝

靜電紡絲法可以制得均一、孔徑小、高比表面積、高孔隙率的纖維以及纖維氈狀材料，纖維直徑在幾十到幾千納米，纖維的直徑影響隔膜孔徑。

90、靜電紡絲技術(shù)是將聚合物與陶瓷材料混合均勻制成漿液，再用靜電紡絲設(shè)備制備成陶瓷隔膜，陶瓷顆粒嵌在纖維中，可顯著提高隔膜的熱穩(wěn)定性、電解液潤(rùn)濕性等。

91、張子浩綜述了靜電紡絲納米纖維膜基制備單一聚合物類隔膜、改性后的多種聚合物類隔膜、有機(jī)/無機(jī)類復(fù)合隔膜的技術(shù)。

92、主要包括PVDF、PA、PET、聚丙烯腈（PAN） 、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA） 以及聚醚砜酮（PPESK）

4 濕法抄造工藝

濕法抄造是制造隔膜類材料常用的方法。

95、將短細(xì)的纖維與黏結(jié)劑混合分散于漿料中，用轉(zhuǎn)移涂布將漿料涂布于載體上，最后經(jīng)過脫水/溶劑、干燥、收卷得到隔膜。

96、Zhang等采用濕法抄造工藝制備了具有優(yōu)良潤(rùn)濕性和吸液率的阻燃纖維素復(fù)合隔膜，明顯降低了制備隔膜的成本。

97、崔光磊等發(fā)明了一種抄紙工藝技術(shù)制備無紡布隔膜，工藝簡(jiǎn)單、成本較低，且能大規(guī)模生產(chǎn)。

5 熔噴紡絲工藝

熔噴法工藝是直接將樹脂紡絲成網(wǎng)，生產(chǎn)超細(xì)纖維非織造布的方法，具有優(yōu)異的抗?jié)B透性和過濾性能。

100、鄧榮堅(jiān)介紹了熔噴紡絲工藝具有技術(shù)成熟、安全性好、成本較低等優(yōu)點(diǎn)，采用熔噴法制備聚酯類或聚酰胺類非織造隔膜具有優(yōu)異的穩(wěn)定性。

6 相轉(zhuǎn)化法

相轉(zhuǎn)化法是利用鑄膜液進(jìn)行溶劑和非溶劑的傳質(zhì)交換，使原來的穩(wěn)態(tài)溶液發(fā)生相轉(zhuǎn)變，最終分相結(jié)構(gòu)固化成膜。

103、桑威納采用相反轉(zhuǎn)法和聚苯乙烯原位交聯(lián)制備了一系列聚偏氟乙烯（PVDF）、聚氧化乙烯（PEO）和聚苯乙烯（PS）交聯(lián)復(fù)合型凝膠聚合物電解質(zhì)薄膜，結(jié)果表明，當(dāng)PS含量達(dá)到PEO/PS總含量的25%時(shí)薄膜具有較高的孔隙率、吸液率和電導(dǎo)率。

審核編輯 ：李倩

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