鋰離子電池隔膜材料的研究進展

摘 要：作為MP3、MP4、手機、電腦等各類電子設備的重要組成部分，鋰離子電池的應用情況直接影響著設備的狀態、功能以及運行情況和壽命，而鋰離子電池本身的狀態和性能有很大一部分是由其隔膜材料所決定的。基于此，文章則以鋰離子電池隔膜材料作為主要研究對象，通過對二者的相關概念進行簡要論述，進而對鋰離子電池隔膜材料的改性、制備等方面的研究進展予以分析，以期為后續鋰離子電池狀態、質量的改進與提高奠定良好基礎。

關鍵詞：離子電池；隔膜材料；隔膜改性前言

據國家電子信息產業部門統計，2013年，我國離子電池需求高達2.2億只，同比增長20.5%，而隨著鋰離子電池數量的不斷增加，其相應的隔膜需求也在持續擴張，僅2014年，我國鋰離子電池生產中，進口隔膜規模便高達2.3億m2，較好地帶動了電子產業附加產品的市場發展。在此背景下，在掌握鋰離子電池隔膜材料概念的基礎上，加強對其隔膜材料的研究，無疑對于提高鋰離子電池的質量和應用的安全性具有重要意義。

1 鋰離子電池與隔膜材料

對鋰離子電池進行分析可知，其是一類充電電池，由正負兩極以及電解液與隔膜共同構成，依托于鋰離子在電池正負兩極間的移動進行工作，具有循環壽命長、高比能量與無記憶效應等相關特點，充電效率高且安全性能好。鋰離子電池隔膜是一類多孔隙薄膜，其主要功能為隔離電池正負極和組織正負電子通過，但卻允許電解液中的正負離子傳導。鋰離子電池隔膜實際上是一種電池正負極的隔離板，因此，其除了應具有上述功能外，還必須具有良好的潤濕性與絕緣性，并確保電池過熱時自身具有較強的靈敏性，對電池過熱做出迅速反應，進而以閉孔的方式形成對電池中傳導電流的阻隔，確保電池安全。

2 鋰離子電池隔膜材料與改性研究

2.1 涂覆改性

涂覆法是彌補鋰離子電池隔膜機械強度差與遇熱易收縮缺陷的主要方法。石俊黎，李浩，方立峰，等（2013）將由氧化鋁納米粒子以及PVDF-HFP混合構成的溶膠聚合物電解質分別涂覆在高分子PE多孔膜的兩側，并對影響PE隔膜結構與性能的因素進行研究，結果表明，涂漬溶液同溶劑—非溶劑之間的相容度對PE膜符合涂層的微孔結構具有較大影響，當二者相容參數差異較大時，PE隔膜所具備的化學性能越加優異。同時，為了使鋰離子電池放電的速率得到進一步提升，從而滿足其應用過程中大功率放電需求，其通過利用涂覆法將具有較高堆積密度的PMMA納米顆粒涂覆在鋰離子電池的PE膜兩側，結果表明，在涂覆PMMA納米顆粒后，鋰離子電池的放電性得到大幅提升[1]。

2.2 共混改性

對以聚偏氟乙烯為主要材料的PVDF膜進行分析可知，其通常具有較高的介電常數和良好的官能團電子吸附能力，故經常被用于手機、筆記本電腦等鋰離子電池當中，但需要說明的是，具有高結晶性的PVDF隔膜會導致鋰離子電池的離子電導率大幅下降。而解決這一問題的方法通常為使聚合物基質同與其相適應的聚合物進行混合，以此提高離子電導率。周桂花，肖峰，肖萍，等（2013）借助相轉化法在PVDF隔膜中混入PDMS，從而得到二者的共混隔膜，研究結果表明，在加入PDMS后，PVDF隔膜的結晶性大幅下降，且電解質持液量與離子電導率也有所提升[2]。此外，吳麗珍，王壘，翁云宣（2012）在PAN隔膜中，將LLTO亞微米級陶瓷微粒分散在PAN溶液當中，從而使二者混合形成了具有多孔結構的復合纖維膜，相較于原有的PAN隔膜，此復合纖維膜具有跟高的電解質溶液持液量，有效增加了復合材料中鋰離子的傳導率[3]。

2.3 接枝改性

對接枝進行分析可知，其通常是以化學鍵的方式將兩類不同的高分子鏈進行連接形成，只需利用離子輻射或光照射對隔膜聚合物表面進行處理，便可促進接枝反應發生。宋鵬飛，孫海榮，王榮民，等（2012）將PEGBA以電子束輻照的方法接枝于PE隔膜上，結果發現，被接枝的隔膜在10kGy時，具有更好的鋰離子傳導率，與此同時，隔膜本身的化學穩定性及其中離子遷移的個數也均得到顯著提升[4]。

3 鋰離子電池隔膜制備研究

3.1 干法制備

干法制備鋰離子電池隔膜的步驟為：先對聚烯烴樹脂進行熔融、擠壓和吹制操作，從而使其形成結晶性的高分子薄膜；而后，對其進行潔凈化熱處理和退火操作，獲得高度取向多層薄膜結構，并將其置于高溫當中做拉伸操作，促使結晶截面分離，最終形成多孔結構電池隔膜。需要說明的是，雖然此種方法在鋰離子電池隔膜制作過程中較為常見，但隔膜的孔徑和孔隙率卻具有較高的控制難度，不利于隔膜電化學性能的充分發揮。

3.2 濕法制備

傳統的鋰離子電池隔膜濕法制備大都以相轉化法為主，近年

來，以TIPS即熱致相分離法為主的鋰離子電池隔膜制備方法迅速

發展，并成為一種常用的微孔隔膜制備方法。TIPS濕法制備微孔隔膜的基本原理為：將結晶性聚合物、熱塑性聚合物以及具有較高沸點的某類小分子化合物稀釋劑進行混合，并置于高溫下使其形成均相溶液，而后，降低溶液溫度，使混合物發生固液分離或液液分離，在將小分子化合物的稀釋劑予以脫除后，便形成了熱塑性與結晶性聚合物的多孔隔膜。相較于干法制備，濕法制備過程中能夠更好地對微孔隔膜的孔徑與孔隙率進行控制，從而提高鋰離子電池隔膜的電化學性能并提高其對電池正負極的隔離效果。

4 新型高能鋰離子電池隔膜研究

輻照法制備鋰離子電池隔膜是近年來我國鋰離子電池隔膜制備的新方法，在電子線或γ射線的輻照作用下，高分子膜中的離子通過路徑，因高密度能量大量聚集、沉積，導致離子附近的原子發生電離與激發，使得聚合物分子長鏈發生斷裂，并進行重新排列，生成自由基，此時，隔膜材料的化學反應能力便大幅提升，能夠借助化學試劑對隔膜進行蝕刻，從而形成孔洞。此制備方法下，聚合物熔融溫度隨著輻射程度的不斷增加而升高，當輻射劑量達到200kGy時，普通的PE隔膜閉孔溫度高達137℃，具有良好的熱收縮性。基于靜電紡絲法的高能離子電池隔膜系統主要包括了噴絲頭、高壓發生器以及輸液系和接絲系統，接絲系統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，并在接絲系統中形成纖維膜，具有良好的孔隙率與機械強度。

5 結束語

文章通過對鋰離子電池隔膜材料進行概述，分別從鋰離子電池隔膜的涂覆改性、共混改性和接枝改性等方面對提高隔膜各方面性能的方法進行研究，并對干法和濕法兩種鋰離子電池隔膜的制備方法予以探究，進而對新型高能離子電池隔膜的相關研究情況予以說明。我國關于鋰電池隔膜方面的研究情況較為良好，未來，還需在現有研究基礎上進一步加大對鋰離子電池隔膜研究的力度，從而為提高隔膜和電池的質量，延長其使用壽命提供可靠保障。

參考文獻

[1]石俊黎，李浩，方立峰，等.鋰離子電池用聚烯烴隔膜的改性[J].膜科學與技術，2013，2（12）：109-116.

[2]周桂花，肖峰，肖萍，等.兩性離子在聚偏氟乙烯（PVDF）膜表面接枝改性的研究[J].環境科學，2013，10（8）：3945-3953.

[3]吳麗珍，王壘，翁云宣.PHBV共混改性研究進展[J].塑料科技，2012，3（11）：96-102.

[4]宋鵬飛，孫海榮，王榮民，等.聚碳酸亞丙酯共混改性研究進展[J].材料導報，2012，10（7）：97-100.