聚合物電解質(zhì)膜在鋰離子電池中的應(yīng)用與改進(jìn)

中圖分類號：0646 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1004-0935（2025）06-0955-04

聚合物電解質(zhì)膜作為鋰離子電池的重要組成部分，其性能的優(yōu)劣直接影響到電池的儲能性能、安全性和壽命。因此，對聚合物電解質(zhì)膜在鋰離子電池中的應(yīng)用與改進(jìn)進(jìn)行研究，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和科學(xué)價(jià)值。鋰離子電池是一種高效的能量存儲和供給裝置，與鎳鎘二次電池、鉛酸二次電池等相比，具有質(zhì)量輕、無污染、無記憶效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于便攜式電子設(shè)備、電動汽車、新能源電力存儲等領(lǐng)域[1]。

聚合物電解質(zhì)是一種兼具鋰離子電導(dǎo)率高、熱穩(wěn)定性好和機(jī)械性能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)的新型鋰離子電池用電解質(zhì)材料，在鋰離子電池中有著廣泛的應(yīng)用。科研人員不斷探索聚合物電解質(zhì)膜的制備方法及工藝參數(shù)對其性能的影響，以提高電池的安全性。針對現(xiàn)有聚合物電解質(zhì)膜的不足，提出有效的改進(jìn)方案，為新型鋰離子電池的開發(fā)提供技術(shù)支持[2-5]。這些研究不僅可以推動鋰離子電池技術(shù)的進(jìn)步，提高電池的性能和安全性，滿足日益增長的能源需求，同時(shí)也有助于推動相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[6-7]。

1聚合物電解質(zhì)膜在鋰離子電池中的應(yīng)用概述

1.1聚合物電解質(zhì)膜的基本原理與特性

聚合物電解質(zhì)膜主要由高分子聚合物和可移動的離子組成。這些離子在聚合物鏈之間可自由移動，形成離子通道，使得離子得以在電場作用下遷移。聚合物電解質(zhì)膜在鋰離子電池中的作用主要是作為離子傳輸介質(zhì)和隔膜，使正負(fù)極之間保持一定的距離，防止短路，同時(shí)允許鋰離子的自由傳輸。

1.1.1離子電導(dǎo)機(jī)制與影響因素

聚合物電解質(zhì)膜中的離子傳輸其作用機(jī)理主要取決于擴(kuò)散機(jī)理和電泳機(jī)理。其中，擴(kuò)散機(jī)理是高分子網(wǎng)絡(luò)中的離子無規(guī)流動，而電泳機(jī)理是高分子在外加電場下的運(yùn)動。科研人員研究了高分子鏈柔性、結(jié)晶度、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、孔徑尺寸和周圍水分對材料導(dǎo)電性能的影響。增強(qiáng)高分子鏈段柔性，減少結(jié)晶度，增大離子傳導(dǎo)通路，能夠提高離子電導(dǎo)率。同時(shí)，適當(dāng)增加環(huán)境濕度也可以提高離子電導(dǎo)率。

1.1.2聚合物電解質(zhì)的發(fā)展

聚合物電解質(zhì)是一種特殊的電解質(zhì)，它以純固態(tài)的形式出現(xiàn)。這樣的電解質(zhì)是向如聚氧乙烯等的高分子中添加電解質(zhì)鋰鹽。但該類材料的離子傳導(dǎo)率偏高，制約了其在一些領(lǐng)域的應(yīng)用。研究人員研制出一種膠體高分子電解質(zhì)，以提高其離子傳導(dǎo)性。1975年，F(xiàn)EUILLADE和PERCHE在固態(tài)電解質(zhì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了一項(xiàng)創(chuàng)新，他們加入了EC、PC等增塑劑。這些增塑劑在聚合物電解質(zhì)中發(fā)揮了重要作用，使離子能夠更自由地移動，從而大大提高了聚合物電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率。通過這一改進(jìn)，凝膠聚合物電解質(zhì)在保持純固態(tài)形式的同時(shí)，離子電導(dǎo)率

得到了顯著提升[8]。

1.2鋰離子電池簡述

鋰離子電池主要由正極、負(fù)極以及電解質(zhì)組成。在充放電過程中，鋰離子脫離正電極并通過電解液被嵌入到負(fù)電極中，這時(shí)負(fù)極處于低壓的富鋰狀態(tài)，而正極處于高壓下的貧鋰狀態(tài)，同時(shí)外部線路中所放出的電子從正電極向負(fù)電極傳遞，從而實(shí)現(xiàn)了電荷的均衡。而在負(fù)極材料中，鋰離子在負(fù)極材料中的脫嵌并通過電解液遷移到正極點(diǎn)陣，使負(fù)極材料呈現(xiàn)出貧鋰狀態(tài)[9]。通常，在充放電時(shí)正、負(fù)極的鋰離子從正極和負(fù)極的脫嵌，僅改變了層間距，而不會破壞正極和負(fù)極的晶體結(jié)構(gòu)。因此，從充放電過程的可逆性角度出發(fā)，鋰離子電池是一種理想的可逆電池。

2 聚合物電解質(zhì)膜在鋰離子電池中的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1在鋰金屬電池中的應(yīng)用現(xiàn)狀與問題

鋰金屬電池具有高能量密度和低自放電率等優(yōu)點(diǎn)，在移動終端、電動汽車、能量存儲等方面有著廣闊的用途。高分子電解質(zhì)薄膜是一種新型的電極材料，也是一種離子傳遞媒介。在保證鋰離子順利轉(zhuǎn)移的情況下，可以避免正極和負(fù)極的短路。采用高分子電解質(zhì)薄膜可有效改善其電化學(xué)特性及安全性能[10]。

2.1.1離子電導(dǎo)率低的問題

離子電導(dǎo)率是聚合物電解質(zhì)膜的一個(gè)重要性能指標(biāo)，其性能直接影響著鋰離子電池的充電速率及充電效率。但是，目前高分子電解質(zhì)薄膜的離子傳導(dǎo)率普遍偏低，制約了其應(yīng)用[1]。為了提高離子電導(dǎo)率，需要深入研究聚合物鏈的微觀結(jié)構(gòu)和離子傳輸機(jī)制，探索新型的聚合物材料和制備工藝。

2.1.2機(jī)械性能與穩(wěn)定性問題

聚合物電解質(zhì)膜需要具有一定的機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定性，以承受電池在使用過程中的機(jī)械應(yīng)力和化學(xué)腐蝕。但是，目前的高分子電解質(zhì)薄膜在高溫、高濕、高壓等苛刻條件下，力學(xué)和穩(wěn)定性普遍較差。為改善其力學(xué)和穩(wěn)定性，必須對其進(jìn)行系統(tǒng)的研究，并尋求新的強(qiáng)化方式。

2.2在固態(tài)鋰離子電池中的應(yīng)用現(xiàn)狀與問題

鋰離子電池使用了固態(tài)電解質(zhì)替代傳統(tǒng)的液態(tài)電解質(zhì)，這一改變不僅顯著提升了電池的安全性和穩(wěn)定性，還為其帶來了更高的能量密度和更長的使用壽命。在這其中，聚合物電解質(zhì)膜發(fā)揮了至關(guān)重要的作用[12]。

首先，聚合物電解質(zhì)膜在固態(tài)鋰離子電池中起到了提供離子傳輸通道的作用。相對于液體電解質(zhì)，該材料可以更好地控制鋰離子的運(yùn)動，保證其在充放電時(shí)的有效輸運(yùn)。這將會極大地提高鋰離子二次電池的容量和循環(huán)速度。其次，在全固態(tài)鋰離子電池中，高分子電解質(zhì)薄膜也是一種隔離材料，可有效隔離正極與負(fù)極，避免發(fā)生短路，保證了電池的良好運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.2.1 循環(huán)性能有待提高

盡管固態(tài)鋰離子電池的初始容量較高，但其循環(huán)壽命相對較短。在多次充放電循環(huán)后，其容量會迅速衰減，這限制了其應(yīng)用。

2.2.2 界面電阻較大

固態(tài)鋰離子電池的正負(fù)極與固態(tài)電解質(zhì)之間的接觸不良，導(dǎo)致界面電阻較大。在充電和放電過程中，需要保證鋰離子能夠快速、高效地在正負(fù)極之間傳輸。當(dāng)界面電阻過大時(shí)，會導(dǎo)致充放電過程中的效率降低，具體表現(xiàn)為充電時(shí)間延長、放電電流減小以及整體的電量釋放能力下降。這會影響電池的導(dǎo)電性能，進(jìn)而影響其充放電性能。

3聚合物電解質(zhì)膜的改進(jìn)策略

3.1 新型材料的探索與合成

近年來，鋰離子電池由于具有可加工性好等特點(diǎn)，采用非可燃的全固體電解質(zhì)替代傳統(tǒng)的液體電解質(zhì)，在高能量長壽命固態(tài)鋰電池的設(shè)計(jì)和開發(fā)中具有突出的應(yīng)用前景。

固態(tài)聚合物電解質(zhì)采用聚合物作為基體，其優(yōu)良的性能，例如彈性、容易加工，可以用液體澆注或熔體擠壓制成膜。高分子材料的黏彈與塑性使高分子電解質(zhì)易于成形，且其成形工藝簡單。另外，該方法的制備工藝簡單，對環(huán)境溫度和壓力的需求也不高，適合大規(guī)模制備。利用固體高分子電解液無微孔道結(jié)構(gòu)，可解決因鋰離子非均相沉積引起的鋰樹突起-破壞而引起的內(nèi)短路等問題[13]。同時(shí)，固體高分子電解質(zhì)也表現(xiàn)出良好的機(jī)械性能，也有助于抑制鋰枝晶。

在目前市場環(huán)境下傳統(tǒng)液態(tài)鋰離子電池是市場主流產(chǎn)品，全固態(tài)電池有望在未來3\\~5年逐漸走向商業(yè)化，其發(fā)展過程主要依賴于能否打破技術(shù)瓶頸以及是否達(dá)到成熟。高分子電解質(zhì)是一種極具商業(yè)應(yīng)用前景的固體電解質(zhì)，可以有效地解決傳統(tǒng)電解質(zhì)泄漏帶來的安全性問題。然而，與常規(guī)電解液比較，目前高分子電解質(zhì)的綜合性能還不夠突出，因此如何改善高分子電解質(zhì)的綜合性能，突破技術(shù)瓶頸，將成為高分子電解質(zhì)領(lǐng)域的重要課題，這將要求科研人員不斷地進(jìn)行研發(fā)探索，不斷地進(jìn)行技術(shù)迭代與優(yōu)化。

3.2 制備工藝的優(yōu)化與創(chuàng)新

3.2.1 溶膠-凝膠法

溶膠-凝膠法是一種常用于制備聚合物電解質(zhì)膜的方法。通過控制聚合物的凝膠化過程，可以制備出具有均勻孔徑和結(jié)構(gòu)的聚合物電解質(zhì)膜。在溶膠-凝膠法制備過程中，通常需要選擇合適的溶劑、前驅(qū)體和催化劑，以獲得所需的聚合物結(jié)構(gòu)[14]。同時(shí)，還需要對聚合溫度、聚合時(shí)間等工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以提高聚合物電解質(zhì)膜的電化學(xué)性能和穩(wěn)定性。

3.2.2 熱壓法

熱壓法是一種制備聚合物電解質(zhì)膜的常用方法。通過熱壓工藝，可以制備出具有緊密堆積和良好機(jī)械強(qiáng)度的聚合物電解質(zhì)膜。在熱壓法制備過程中，通常需要選擇合適的聚合物材料、填料和增塑劑，以獲得所需的聚合物電解質(zhì)膜的性能。同時(shí)，還需要對熱壓溫度、熱壓壓力等工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以提高聚合物電解質(zhì)膜的電化學(xué)性能和穩(wěn)定性[15]。

3.2.3 輻射交聯(lián)法

輻射交聯(lián)法是一種制備聚合物電解質(zhì)膜的新方法。利用高能輻射引發(fā)聚合物的交聯(lián)反應(yīng)，可以制備出具有優(yōu)異電化學(xué)穩(wěn)定性的聚合物電解質(zhì)膜。在輻射交聯(lián)法制備過程中，通常需要選擇合適的高能輻射源、聚合物材料和交聯(lián)劑，以獲得所需的聚合物電解質(zhì)膜的性能[16]。同時(shí)，還需要對輻射劑量、交聯(lián)溫度等工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以提高聚合物電解質(zhì)膜的電化學(xué)性能和穩(wěn)定性。

3.3增強(qiáng)增韌聚合物電解質(zhì)膜

聚合物電解質(zhì)膜在許多領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用，如燃料電池、鋰離子電池和電化學(xué)傳感器等。然而，它們通常較易受到機(jī)械應(yīng)力和化學(xué)侵蝕的影響，這限制了其在實(shí)際應(yīng)用中的使用壽命和可靠性。為了解決這一問題，科研人員嘗試通過各種方法增強(qiáng)增韌聚合物電解質(zhì)膜。

一種常見的方法是在聚合物電解質(zhì)膜中添加增塑劑。增塑劑可以有效地增加聚合物的柔韌性，降低其脆性，從而提高其抗機(jī)械應(yīng)力的能力[17]。同時(shí)，增塑劑還可以改善聚合物的加工性能，使其更容易進(jìn)行成型和加工。然而，增塑劑的添加也可能導(dǎo)致聚合物電解質(zhì)膜的離子導(dǎo)電性能下降，因此需要謹(jǐn)慎選擇合適的增塑劑種類和添加量。另一種方法是添加納米填料。納米填料如納米管、納米纖維和納來顆粒等，具有極高的比表面積和優(yōu)異的力學(xué)性能，可以顯著提高聚合物電解質(zhì)膜的力學(xué)性能和耐熱性。同時(shí)，納米填料還可以提供更多的離子傳輸通道，從而提高聚合物電解質(zhì)膜的離子導(dǎo)電性能。然而，納米填料的分散和界面相容性是一個(gè)挑戰(zhàn)，需要采取有效的措施來解決[18]。

3.4 表面涂層處理

在聚合物電解質(zhì)膜的表面進(jìn)行涂層處理，是優(yōu)化膜性能的關(guān)鍵步驟。通過這一處理，可以顯著提高膜的離子電導(dǎo)率和界面相容性，從而進(jìn)一步優(yōu)化電荷傳輸效率。這一過程不僅降低了界面電阻，還確保了更高效的電荷傳輸。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，科研人員通常會精心選擇涂層材料。這些材料必須具備高離子電導(dǎo)率，以確保離子在涂層中的高效傳輸。此外，涂層材料還需要與聚合物電解質(zhì)膜具有良好的相容性，以確保兩者緊密結(jié)合，進(jìn)一步減少界面電阻。通過這樣的涂層處理，可以顯著提高聚合物電解質(zhì)膜的性能，使其在各種應(yīng)用中表現(xiàn)出更優(yōu)越的電化學(xué)性能。目前，常用的涂層材料主要包括無機(jī)氧化物、導(dǎo)電聚合物以及其他一些聚合物電解質(zhì)。這些材料已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)中展現(xiàn)出優(yōu)異的性能，并為聚合物電解質(zhì)膜的實(shí)際應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[19]。

4結(jié)束語

隨著科技的不斷進(jìn)步，鋰離子電池將在更多領(lǐng)域中發(fā)揮關(guān)鍵作用。作為鋰離子電池的核心組件，聚合物電解質(zhì)膜的性能改進(jìn)將是未來研究的重要方向。只有不斷探索新型材料、優(yōu)化制備工藝和設(shè)計(jì)復(fù)合結(jié)構(gòu)，才能更好地滿足對高能效、長壽命和高安全性能的需求，進(jìn)一步推動鋰離子電池技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]冉云松，陳怡，劉陽松，等.基于互穿網(wǎng)絡(luò)技術(shù)構(gòu)筑環(huán)境友好型聚合物電解質(zhì)膜及其電化學(xué)性能[J].精細(xì)化工，2024，41（5）：1092-1100.

[2]張潞.結(jié)構(gòu)可調(diào)復(fù)合型鋰離子電池凝膠聚合物電解質(zhì)的制備和性能研究[D].鄭州：鄭州大學(xué)，2016.

[3]楊雪瑩.PVdF基聚合物電解質(zhì)膜的制備及在鋰離子電池中的應(yīng)用[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學(xué)，2017.

[4]王世其.含砜聚合物電解質(zhì)的制備及其電池性能研究[D].桂林：桂林理工大學(xué)，2023.

[5]M·比索，F(xiàn)·里貝拉勒，V·芬斯，等.包含氟聚合物的混雜復(fù)合電解質(zhì)：CN114303270A[P].2022-04-08.

[6]李矗，于冉，潘福榮，等.固態(tài)復(fù)合聚合物電解質(zhì)及電解質(zhì)膜制備方法與鋰離子電池：CN202211011362.1[P].2022-12-13.

[7]殷霄飛，孟祥飛，陳柏旭，等.聚合物電解質(zhì)改性策略研究進(jìn)展[J]科技視界，2023（9）：65-67.

[8]駱博飛.聚合物固態(tài)電解質(zhì)設(shè)計(jì)策略[J].中外能源，2023，28(8):32-37.

[9]馮玉川，劉思捷，何泓材，等.一種硫化物固態(tài)電解質(zhì)膜及固態(tài)鋰離子電池：CN113451638B[P].2022-04-12.

[10]胡江奎，袁洪，趙辰孜，等.柔性硫化物固態(tài)電解質(zhì)研究進(jìn)展[J].硅酸鹽學(xué)報(bào)，2022，50（1）：110-120.

[11]劉書琴，劉軍，李志勇.新能源汽車反鈣鈦礦型鋰離子固態(tài)電解質(zhì)摻雜改性研究[J].粉末冶金工業(yè)，2023，33（5）：113-118.

[12]劉書暢，吳海瑩，張靈志.鋰內(nèi)鹽兩性離子聚合物電解質(zhì)的制備與電化學(xué)性能研究[J].高分子學(xué)報(bào)，2024，55（3）：296-308.

[13]岳紅云，王秋嫻，李靜嫻，等.類三明治結(jié)構(gòu)固態(tài)聚合物電解質(zhì)膜的制備方法及其在固態(tài)鋰離子電池中的應(yīng)用：CN107732293B[P].2019-07-05.

[14]陳欣欣，鄒海鳳，陳卓，等.單離子導(dǎo)電聚合物電解質(zhì)膜的制備及電化學(xué)性能研究[J].功能材料，2022，53（8）：8165-8169.

[15]何偉，郭春泰，羅朝輝，等.一種基于有機(jī)硅酸酯鹽的單離子導(dǎo)電聚合物及其制備方法與應(yīng)用：CN115850684A[P].2023-03-28.

[16]邵芳可，陳橋，川崎學(xué).聚合物電解質(zhì)膜及其制造方法，固體高分子型燃料電池：CN114256491A[P].2023-03-29.

[17]寧玉娟，李鎖，黃東雪，等. Li_6.4La₃Zr_1.4Ta_0.6O₁₂ 固態(tài)電解質(zhì)膜的制備與性能研究[J].廣西科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2022，33（3）：116-121.

[18]張藝璇，胡偉，劉夢瑤，等.聚合物電解質(zhì)在鋅離子電池中的研究進(jìn)展[J].化工進(jìn)展，2023，42（3）：1397-1410.

[19]黃東雪，李鎖，姜興濤，等.陶瓷-聚合物復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)膜的制備與性能研究[J].廣西科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2022，33（1）123-129.

Application and Improvement of Polymer Electrolyte Membrane in Lithium Ion Battery

ZHANG Yifan， ZHAO Peixi， DU Xiyu， XU Zhixue， ZHANG Maofu （Shenghua New Energy Technology (Dongying) Co.，Ltd.，Dongying Shandong 257ooo， China）

Abstract:Withthepopularityofmobiledevices，electricvehiclesandenergystoragesystems，thedemandforenergyefficient， lightweightandsafebateriesisicreasing.Lithum-ionbateryhasecomethefirstchoceinthemarketbecauseofitseceent performance parameters.Asakeycomponent，polymer electrolyte membrane hasgreat influence oniontransport，baterysfetyand electrochemical stabilityHowever，theexistingpolymerelectrolytemembranesstillfacesomechalenges，suchaslowionic conductivitypoormechanicalstrengthandlackofstabilitytolitiummetals.Therefore，iisveryimportanttostudythepolyer electrolyte membrane and to seek the improvement method.

Key words: Lithium ion battery; Polymer electrolyte membrane; Application; Improvement