鋰離子電池隔膜的工藝及性能研究

魚澎

摘 要：鋰離子電池因其體積小、能量密度高、自放電小、安全性高、可大電流充放電、壽命長、環境友好等優點，廣泛應用于手機、筆記本電腦、數碼相機、電動汽車、航空航天、軍事裝備等多個領域。

關鍵詞：鋰離子電池;隔膜工藝;性能

0 前言

鋰離子電池的內部結構中正極、負極、隔膜和電解液是最為核心的四大材料，對鋰電池的能量密度、循環性能、倍率性能、內阻等關鍵性能指標，以及耐高溫、阻燃、自關斷、電化學穩定性等安全性表現，均起著直接決定和綜合影響的作用。隔膜作為關鍵的內層組件之一，其主要作用是隔絕正負極以防止兩極接觸而短路;同時作為鋰離子的遷移通道，允許電解液中的鋰離子在充放電時能自由通過微孔以保證電池正常工作，是鋰離子電池產業鏈中最具技術壁壘的關鍵內層組件。

1 隔膜的性能要求

1.1 力學強度

隔膜在電池結構及充放電反應過程中需要具有一定的機械強度。隔膜的一個重要作用是將正負極反應隔開，如果隔膜皺縮或破裂導致電解液滲透，就會發生電池短路，具有很大的安全隱患，因此隔膜需要有一定的力學強度和韌性。鋰離子電池在充電過程中鋰離子被還原生成金屬鋰枝晶，這就要求隔膜材料要有一定的抗穿刺強度。另外，隔膜材料也應該具有一定的拉伸強度，鋰離子電池在反應過程中會放出或吸收熱量，隔膜會發生相應的漲縮，如果隔膜的拉伸強度不夠，就會造成隔膜破損，也會導致短路發生。

1.2 熱穩定性

由于鋰離子電池中電解質溶液除了水溶劑，還會采用有機溶劑和非水電解液，因此隔膜應具有良好的化學穩定性和耐腐蝕性能，能夠在電池多次充放電過程中實現結構的完整性與反應的穩定性。此外，鋰離子電池在充放電反應中會放熱，電池在連續工作時溫度會升高，隔膜的熱穩定性能夠保證在電池長時間工作時減少收縮形變量，避免電池皺縮導致的正負極接觸而導致電池短路。

1.3 孔隙分布及孔隙率

隔膜為了保持鋰離子良好的透過能力，材料需要具備一定大小的孔隙，并保證低電阻和高離子傳導率。孔隙大小將影響電池內阻及電池的安全性。孔隙太小會使離子穿透率減低而增大電池內阻，孔隙過大則會導致電池正負極接觸概率增大易導致短路，起不到隔膜的效果。優良的鋰離子電池隔膜應保證孔隙大小合適、分布均勻，不然會導致局部電流過大或過小，影響電池性能。

2 無機復合隔膜制備工藝和材料發展的必要性

2.1 鋰離子電池材料及其制備工藝的現狀

隔膜作為鋰離子電池的重要組成部分，其材料的選擇和工藝的發展會影響到鋰離子電池的容量、循環及安全性能。目前鋰離子電池隔膜的主流材料是以聚丙烯（PP）微孔膜和聚乙烯（PE）微孔膜為代表的聚烯烴微孔隔膜，雖然聚烯烴微孔隔膜的制造成本低廉，且具有較高的孔隙率和較低的電阻，以及較好的抗酸堿能力和抗撕裂強度，但是其在熱穩定性和浸潤性等性能上的表現較差，不能滿足市場對鋰離子電池的質量和使用安全性不斷發展的要求。鋰一般來說干法工藝的原材料一般是PP（熔融溫度在170℃ 左右），而濕法工藝的原材料一般則是PE（熔融溫度在140℃ 左右），因此濕法工藝生產的隔膜雖然厚度較薄，但由于熔融溫度較低而導致隔膜在高溫穩定性較差，以致造成電池短路，構成不必要的安全威脅。

2.2 無機復合隔膜制備工藝和材料發展的必要性

在動力電池提高續航里程的發展趨勢下，隨著濕法隔膜生產成本的日漸降低，濕法隔膜在我國的普及化率開始逐年增高，當下較為成熟且具有技術發展前景的隔膜制備工藝，就是在隔膜表面涂覆一層具有良好電化學性能、耐熱性能、透氣性能、機械強度等不同性能優勢的無機復合物（Al2O3、SiO2、TiO2和Ba-TiO3等），不僅能夠有效延續聚烯烴微孔隔膜低成本的優勢，還能使鋰離子電池的性能得到適應性地提高，從而極大優化了鋰離子電池隔膜技術的實施環境，彌補干濕法工藝的不同技術缺陷，滿足市場對于鋰離子電池的性能的發展性要求。

3 無機復合隔膜的制備工藝

3.1 涂覆制備工藝

以聚烯烴微孔膜為基膜，需根據鋰離子電池的功能定位與性能需求來對涂覆的無機漿料進行配比，以目前應用最多的陶瓷涂覆漿料為例，其主要由陶瓷顆粒（通常為Al 2O3，也可使用SiO2、MgO、CaO）、粘結劑、溶劑和添加劑四種成分組成，然后采用凹版輥涂、浸涂、窄涂和噴涂等工藝進行陶瓷層的隔膜制備，以一種原子層沉積技術的實施原理達到無機物材料在常規基膜上的單層復合（分布在基膜的一側，具有無機復合層和基膜的雙層結構）和雙層復合（分布在基膜的前后兩側，具有兩層無機復合層中間加基膜層的三層對稱結構或兩層基膜中間夾無機復合層的三明治結構），涂覆制備工藝根據材料的不同，涂層的厚度會略有差別，但一般來說，每層厚度通常在1-2um左右。

3.2 靜電紡絲制備

靜電紡絲制備工藝是對雙層涂覆制備工藝的一種優化，由于涂覆工藝下的無機復合層與基膜之間的結合度較差，從而極易造成無機復合粉體的脫落，靜電紡絲工藝就通過熱輥壓技術對雙層基膜中間夾無機復合層的三明治結構進行必要的加工，以將無機復合層的兩側限制在兩層聚丙烯腈無紡布之間，達到無機復合層結合度的有效固化，同時強化復合隔膜的機械強度和熱穩定性能，實現隔膜功能性的進一步提升。

3.3 濕法雙向拉伸制備工藝

該工藝首先將Al 2O3、SiO2等無機材料進行球磨分散技術分散于適量的去離子水溶液中（無機材料分散顆粒的粒徑應控制在1um）制成分散液，通過一定配比的粘結劑（乳化石蠟CCS等）的加入得到最后的涂覆漿料。最后經過雙向拉伸制備陶瓷復合隔膜，該種方法的無機復合材料緊密且均勻結合于基膜表面，穩定性和機械強度更高。

4 結束語

隔膜作為鋰離子電池中技術壁壘最高的材料，其在實現鋰電池最佳性能和安全性方面發揮著巨大的作用。隨著高性能動力鋰電池需求的不斷發展，對隔膜材料也提出了更高的要求，傳統聚烯烴隔膜已無法滿足當前鋰電池高性能化的需求，同時這也給隔膜材料領域帶來了前所未有的發展機遇。

參考文獻

[1]夏清華.鋰離子電池新型隔膜技術及市場概況[J].廣東化工，2018，45（8）：172-173.