浅谈锂离子电池隔离膜

浅谈锂离子电池隔离膜

何良

东莞市赛普克电子科技有限公司523000

摘要：作为MP3、MP4、手机、电脑等各类电子设备的重要组成部分，锂离子电池的应用情况直接影响着设备的状态、功能以及运行情况和寿命，而锂离子电池本身的状态和性能有很大一部分是由其隔膜材料所决定的。基于此，文章则以锂离子电池隔膜材料作为主要研究对象，通过对二者的相关概念进行简要论述，进而对锂离子电池隔膜材料的改性、制备等方面的研究进展予以分析，以期为后续锂离子电池状态、质量的改进与提高奠定良好基础。

关键词：离子电池；隔膜材料；隔膜改性前言

前言：据国家电子信息产业部门统计，2013年，我国离子电池需求高达2.2亿只，同比增长20.5%，而随着锂离子电池数量的不断增加，其相应的隔膜需求也在持续扩张，仅2014年，我国锂离子电池生产中，进口隔膜规模便高达2.3亿m2，较好地带动了电子产业附加产品的市场发展。在此背景下，在掌握锂离子电池隔膜材料概念的基础上，加强对其隔膜材料的研究，无疑对于提高锂离子电池的质量和应用的安全性具有重要意义。

一、锂离子电池与隔膜材料

对锂离子电池进行分析可知，其是一类充电电池，由正负两极以及电解液与隔膜共同构成，依托于锂离子在电池正负两极间的移动进行工作，具有循环寿命长、高比能量与无记忆效应等相关特点，充电效率高且安全性能好。锂离子电池隔膜是一类多孔隙薄膜，其主要功能为隔离电池正负极和组织正负电子通过，但却允许电解液中的正负离子传导。锂离子电池隔膜实际上是一种电池正负极的隔离板，因此，其除了应具有上述功能外，还必须具有良好的润湿性与绝缘性，并确保电池过热时自身具有较强的灵敏性，对电池过热做出迅速反应，进而以闭孔的方式形成对电池中传导电流的阻隔，确保电池安全。

二、锂离子电池的现状

目前，全世界的锂离子电池市场规模主要由日本来体现。1995年，日本的锂离子电池的市场规模占全世界锂离子电池市场规模的88.06%。随着便携式电子设备的迅速发展，锂离子电池的市场规模也在不断地扩大。锂离子电池的应用不仅向着小型轻量的小型电器发展，而且也开始向大型电动设备发展。美国杜拉塞尔公司和德国的瓦尔塔公司针对电动汽车的应用，选择锂离子电池为电动汽车的大型动力电源。我国的一些地区也将锂离子电池作为电动汽车的电源这一项目作为攻关课题，投入了大量的的科研经费来研究。

我国自20世纪80年代初期开始进行锂离子电池的研发工作。2000年，日本的锂离子电池年产量达5亿只，约占全球市场90%多，而我国的年产量仅为0.35亿只。随着技术的发展，为顺应社会发展需求，我国相继出台一系列政策，推动锂离子电池产业的发展：在《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006―2020）》中，动力锂离子电池被列为高效能源材料技术的优先发展方向。在一系列国家政策的支持下，我国的锂离子电池产业有了长足的发展，锂电池产业进入快速成长阶段。

在航天应用领域，目前国内空间用圆形锂离子电池的比能量约为110～140W?h/kg；在电池地面寿命试验方面，高轨卫星80%DOD，达到了15年寿命水平；低轨卫星30%DOD，已达到5年寿命水平。

在电动汽车领域，万向集团为上海世博会提供了电动汽车和混合动力汽车用锂离子电池；上海汽车除了与比亚迪、上海空间电源研究所持续进行深度合作外，同时还与全球锂二次电池领域居于技术领先地位的美国A123组建了合资公司，生产和销售车用动力电池系统。

在电网储能技术领域，2011年2月，我国第一个兆瓦级电池储能电站――南方电网5MW级电池储能电站在深圳并网成功，该电池储能电站总容量为10MW，待其全部投产后，将成为世界上最大的锂离子电池储能电站。

三、锂离子电池隔膜材料与改性研究

3.1涂覆改性

涂覆法是弥补锂离子电池隔膜机械强度差与遇热易收缩缺陷的主要方法。石俊黎，李浩，方立峰，等将由氧化铝纳米粒子以及PVDF-HFP混合构成的溶胶聚合物电解质分别涂覆在高分子PE多孔膜的两侧，并对影响PE隔膜结构与性能的因素进行研究，结果表明，涂渍溶液同溶剂―非溶剂之间的相容度对PE膜符合涂层的微孔结构具有较大影响，当二者相容参数差异较大时，PE隔膜所具备的化学性能越加优异。同时，为了使锂离子电池放电的速率得到进一步提升，从而满足其应用过程中大功率放电需求，其通过利用涂覆法将具有较高堆积密度的PMMA纳米颗粒涂覆在锂离子电池的PE膜两侧，结果表明，在涂覆PMMA纳米颗粒后，锂离子电池的放电性得到大幅提升。

3.2共混改性

对以聚偏氟乙烯为主要材料的PVDF膜进行分析可知，其通常具有较高的介电常数和良好的官能团电子吸附能力，故经常被用于手机、笔记本电脑等锂离子电池当中，但需要说明的是，具有高结晶性的PVDF隔膜会导致锂离子电池的离子电导率大幅下降。而解决这一问题的方法通常为使聚合物基质同与其相适应的聚合物进行混合，以此提高离子电导率。周桂花，肖峰，肖萍，等（2013）借助相转化法在PVDF隔膜中混入PDMS，从而得到二者的共混隔膜，研究结果表明，在加入PDMS后，PVDF隔膜的结晶性大幅下降，且电解质持液量与离子电导率也有所提升。此外，吴丽珍，王垒，翁云宣（2012）在PAN隔膜中，将LLTO亚微米级陶瓷微粒分散在PAN溶液当中，从而使二者混合形成了具有多孔结构的复合纤维膜，相较于原有的PAN隔膜，此复合纤维膜具有跟高的电解质溶液持液量，有效增加了复合材料中锂离子的传导率[3]。

3.3接枝改性

对接枝进行分析可知，其通常是以化学键的方式将两类不同的高分子链进行连接形成，只需利用离子辐射或光照射对隔膜聚合物表面进行处理，便可促进接枝反应发生。宋鹏飞，孙海荣，王荣民，等（2012）将PEGBA以电子束辐照的方法接枝于PE隔膜上，结果发现，被接枝的隔膜在10kGy时，具有更好的锂离子传导率，与此同时，隔膜本身的化学稳定性及其中离子迁移的个数也均得到显著提升[4]。

四、锂离子电池隔膜制备研究

4.1干法制备

干法制备锂离子电池隔膜的步骤为：先对聚烯烃树脂进行熔融、挤压和吹制操作，从而使其形成结晶性的高分子薄膜；而后，对其进行洁净化热处理和退火操作，获得高度取向多层薄膜结构，并将其置于高温当中做拉伸操作，促使结晶截面分离，最终形成多孔结构电池隔膜。需要说明的是，虽然此种方法在锂离子电池隔膜制作过程中较为常见，但隔膜的孔径和孔隙率却具有较高的控制难度，不利于隔膜电化学性能的充分发挥。

4.2湿法制备

传统的锂离子电池隔膜湿法制备大都以相转化法为主，近年来，以TIPS即热致相分离法为主的锂离子电池隔膜制备方法迅速发展，并成为一种常用的微孔隔膜制备方法。TIPS湿法制备微孔隔膜的基本原理为：将结晶性聚合物、热塑性聚合物以及具有较高沸点的某类小分子化合物稀释剂进行混合，并置于高温下使其形成均相溶液，而后，降低溶液温度，使混合物发生固液分离或液液分离，在将小分子化合物的稀释剂予以脱除后，便形成了热塑性与结晶性聚合物的多孔隔膜。相较于干法制备，湿法制备过程中能够更好地对微孔隔膜的孔径与孔隙率进行控制，从而提高锂离子电池隔膜的电化学性能并提高其对电池正负极的隔离效果。

五、新型高能锂离子电池隔膜研究

辐照法制备锂离子电池隔膜是近年来我国锂离子电池隔膜制备的新方法，在电子线或γ射线的辐照作用下，高分子膜中的离子通过路径，因高密度能量大量聚集、沉积，导致离子附近的原子发生电离与激发，使得聚合物分子长链发生断裂，并进行重新排列，生成自由基，此时，隔膜材料的化学反应能力便大幅提升，能够借助化学试剂对隔膜进行蚀刻，从而形成孔洞。此制备方法下，聚合物熔融温度随着辐射程度的不断增加而升高，当辐射剂量达到200kGy时，普通的PE隔膜闭孔温度高达137℃，具有良好的热收缩性。基于静电纺丝法的高能离子电池隔膜系统主要包括了喷丝头、高压发生器以及输液系和接丝系统，接丝系统和喷丝头相互作用而形成的高压静电场中，高分子溶液的流束被分割为若干细流，从而使溶剂挥发，并在接丝系统中形成纤维膜，具有良好的孔隙率与机械强度。

结束语

文章通过对锂离子电池隔膜材料进行概述，分别从锂离子电池隔膜的涂覆改性、共混改性和接枝改性等方面对提高隔膜各方面性能的方法进行研究，并对干法和湿法两种锂离子电池隔膜的制备方法予以探究，进而对新型高能离子电池隔膜的相关研究情况予以说明。我国关于锂电池隔膜方面的研究情况较为良好，未来，还需在现有研究基础上进一步加大对锂离子电池隔膜研究的力度，从而为提高隔膜和电池的质量，延长其使用寿命提供可靠保障。

参考文献:

[1]石俊黎，李浩，方立峰，等.锂离子电池用聚烯烃隔膜的改性.膜科学与技术，2013，2

[2]周桂花，两性离子在聚偏氟乙烯（PVDF）膜表面接枝改性的研究.环境科学，2014，5

[3]吴丽珍，PHBV共混改性研究进展.塑料科技，2014，3

[4]宋鹏飞，聚碳酸亚丙酯共混改性研究进展.材料导报，2012，10