聚合物電解質膜在鋰離子電池中的應用與改進

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

聚合物電解質膜作為鋰離子電池的重要組成部分，其性能的優劣直接影響到電池的儲能性能、安全性和壽命。因此，對聚合物電解質膜在鋰離子電池中的應用與改進進行研究，具有重要的現實意義和科學價值。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，具有質量輕、無污染、無記憶效應等優點，被廣泛應用于便攜式電子設備、電動汽車、新能源電力存儲等領域[1]。

聚合物電解質是一種兼具鋰離子電導率高、熱穩定性好和機械性能強等優點的新型鋰離子電池用電解質材料，在鋰離子電池中有著廣泛的應用。科研人員不斷探索聚合物電解質膜的制備方法及工藝參數對其性能的影響，以提高電池的安全性。針對現有聚合物電解質膜的不足，提出有效的改進方案，為新型鋰離子電池的開發提供技術支持[2-5]。這些研究不僅可以推動鋰離子電池技術的進步，提高電池的性能和安全性，滿足日益增長的能源需求，同時也有助于推動相關產業的發展[6-7]。

1聚合物電解質膜在鋰離子電池中的應用概述

1.1聚合物電解質膜的基本原理與特性

聚合物電解質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。聚合物電解質膜在鋰離子電池中的作用主要是作為離子傳輸介質和隔膜，使正負極之間保持一定的距離，防止短路，同時允許鋰離子的自由傳輸。

1.1.1離子電導機制與影響因素

聚合物電解質膜中的離子傳輸其作用機理主要取決于擴散機理和電泳機理。其中，擴散機理是高分子網絡中的離子無規流動，而電泳機理是高分子在外加電場下的運動。科研人員研究了高分子鏈柔性、結晶度、網絡結構、孔徑尺寸和周圍水分對材料導電性能的影響。增強高分子鏈段柔性，減少結晶度，增大離子傳導通路，能夠提高離子電導率。同時，適當增加環境濕度也可以提高離子電導率。

1.1.2聚合物電解質的發展

聚合物電解質是一種特殊的電解質，它以純固態的形式出現。這樣的電解質是向如聚氧乙烯等的高分子中添加電解質鋰鹽。但該類材料的離子傳導率偏高，制約了其在一些領域的應用。研究人員研制出一種膠體高分子電解質，以提高其離子傳導性。1975年，FEUILLADE和PERCHE在固態電解質的基礎上進行了一項創新，他們加入了EC、PC等增塑劑。這些增塑劑在聚合物電解質中發揮了重要作用，使離子能夠更自由地移動，從而大大提高了聚合物電解質的離子電導率。通過這一改進，凝膠聚合物電解質在保持純固態形式的同時，離子電導率

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、負極以及電解質組成。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電極中，這時負極處于低壓的富鋰狀態，而正極處于高壓下的貧鋰狀態，同時外部線路中所放出的電子從正電極向負電極傳遞，從而實現了電荷的均衡。而在負極材料中，鋰離子在負極材料中的脫嵌并通過電解液遷移到正極點陣，使負極材料呈現出貧鋰狀態[9]。通常，在充放電時正、負極的鋰離子從正極和負極的脫嵌，僅改變了層間距，而不會破壞正極和負極的晶體結構。因此，從充放電過程的可逆性角度出發，鋰離子電池是一種理想的可逆電池。

2 聚合物電解質膜在鋰離子電池中的應用現狀

2.1在鋰金屬電池中的應用現狀與問題

鋰金屬電池具有高能量密度和低自放電率等優點，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移的情況下，可以避免正極和負極的短路。采用高分子電解質薄膜可有效改善其電化學特性及安全性能[10]。

2.1.1離子電導率低的問題

離子電導率是聚合物電解質膜的一個重要性能指標，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，目前高分子電解質薄膜的離子傳導率普遍偏低，制約了其應用[1]。為了提高離子電導率，需要深入研究聚合物鏈的微觀結構和離子傳輸機制，探索新型的聚合物材料和制備工藝。

2.1.2機械性能與穩定性問題

聚合物電解質膜需要具有一定的機械強度和穩定性，以承受電池在使用過程中的機械應力和化學腐蝕。但是，目前的高分子電解質薄膜在高溫、高濕、高壓等苛刻條件下，力學和穩定性普遍較差。為改善其力學和穩定性，必須對其進行系統的研究，并尋求新的強化方式。

2.2在固態鋰離子電池中的應用現狀與問題

鋰離子電池使用了固態電解質替代傳統的液態電解質，這一改變不僅顯著提升了電池的安全性和穩定性，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，聚合物電解質膜發揮了至關重要的作用[12]。

首先，聚合物電解質膜在固態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，該材料可以更好地控制鋰離子的運動，保證其在充放電時的有效輸運。這將會極大地提高鋰離子二次電池的容量和循環速度。其次，在全固態鋰離子電池中，高分子電解質薄膜也是一種隔離材料，可有效隔離正極與負極，避免發生短路，保證了電池的良好運轉。

2.2.1 循環性能有待提高

盡管固態鋰離子電池的初始容量較高，但其循環壽命相對較短。在多次充放電循環后，其容量會迅速衰減，這限制了其應用。

2.2.2 界面電阻較大

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

3聚合物電解質膜的改進策略

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，采用非可燃的全固體電解質替代傳統的液體電解質，在高能量長壽命固態鋰電池的設計和開發中具有突出的應用前景。

固態聚合物電解質采用聚合物作為基體，其優良的性能，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，對環境溫度和壓力的需求也不高，適合大規模制備。利用固體高分子電解液無微孔道結構，可解決因鋰離子非均相沉積引起的鋰樹突起-破壞而引起的內短路等問題[13]。同時，固體高分子電解質也表現出良好的機械性能，也有助于抑制鋰枝晶。

在目前市場環境下傳統液態鋰離子電池是市場主流產品，全固態電池有望在未來3\\~5年逐漸走向商業化，其發展過程主要依賴于能否打破技術瓶頸以及是否達到成熟。高分子電解質是一種極具商業應用前景的固體電解質，可以有效地解決傳統電解質泄漏帶來的安全性問題。然而，與常規電解液比較，目前高分子電解質的綜合性能還不夠突出，因此如何改善高分子電解質的綜合性能，突破技術瓶頸，將成為高分子電解質領域的重要課題，這將要求科研人員不斷地進行研發探索，不斷地進行技術迭代與優化。

3.2 制備工藝的優化與創新

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構的聚合物電解質膜。在溶膠-凝膠法制備過程中，通常需要選擇合適的溶劑、前驅體和催化劑，以獲得所需的聚合物結構[14]。同時，還需要對聚合溫度、聚合時間等工藝參數進行優化，以提高聚合物電解質膜的電化學性能和穩定性。

3.2.2 熱壓法

熱壓法是一種制備聚合物電解質膜的常用方法。通過熱壓工藝，可以制備出具有緊密堆積和良好機械強度的聚合物電解質膜。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膜的性能。同時，還需要對熱壓溫度、熱壓壓力等工藝參數進行優化，以提高聚合物電解質膜的電化學性能和穩定性[15]。

3.2.3 輻射交聯法

輻射交聯法是一種制備聚合物電解質膜的新方法。利用高能輻射引發聚合物的交聯反應，可以制備出具有優異電化學穩定性的聚合物電解質膜。在輻射交聯法制備過程中，通常需要選擇合適的高能輻射源、聚合物材料和交聯劑，以獲得所需的聚合物電解質膜的性能[16]。同時，還需要對輻射劑量、交聯溫度等工藝參數進行優化，以提高聚合物電解質膜的電化學性能和穩定性。

3.3增強增韌聚合物電解質膜

聚合物電解質膜在許多領域都有廣泛應用，如燃料電池、鋰離子電池和電化學傳感器等。然而，它們通常較易受到機械應力和化學侵蝕的影響，這限制了其在實際應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增韌聚合物電解質膜。

一種常見的方法是在聚合物電解質膜中添加增塑劑。增塑劑可以有效地增加聚合物的柔韌性，降低其脆性，從而提高其抗機械應力的能力[17]。同時，增塑劑還可以改善聚合物的加工性能，使其更容易進行成型和加工。然而，增塑劑的添加也可能導致聚合物電解質膜的離子導電性能下降，因此需要謹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異的力學性能，可以顯著提高聚合物電解質膜的力學性能和耐熱性。同時，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膜的離子導電性能。然而，納米填料的分散和界面相容性是一個挑戰，需要采取有效的措施來解決[18]。

3.4 表面涂層處理

在聚合物電解質膜的表面進行涂層處理，是優化膜性能的關鍵步驟。通過這一處理，可以顯著提高膜的離子電導率和界面相容性，從而進一步優化電荷傳輸效率。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。為了實現這一目標，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膜具有良好的相容性，以確保兩者緊密結合，進一步減少界面電阻。通過這樣的涂層處理，可以顯著提高聚合物電解質膜的性能，使其在各種應用中表現出更優越的電化學性能。目前，常用的涂層材料主要包括無機氧化物、導電聚合物以及其他一些聚合物電解質。這些材料已經在實驗中展現出優異的性能，并為聚合物電解質膜的實際應用奠定了堅實的基礎[19]。

4結束語

隨著科技的不斷進步，鋰離子電池將在更多領域中發揮關鍵作用。作為鋰離子電池的核心組件，聚合物電解質膜的性能改進將是未來研究的重要方向。只有不斷探索新型材料、優化制備工藝和設計復合結構，才能更好地滿足對高能效、長壽命和高安全性能的需求，進一步推動鋰離子電池技術的可持續發展。

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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