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(huán)境友好等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于手機、筆記本電腦、數(shù)碼相機、電動汽車、航空航天、軍事裝備等多個領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：鋰離子電池;隔膜工藝;性能

0 前言

鋰離子電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)中正極、負(fù)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(huán)性能、倍率性能、內(nèi)阻等關(guān)鍵性能指標(biāo)，以及耐高溫、阻燃、自關(guān)斷、電化學(xué)穩(wěn)定性等安全性表現(xiàn)，均起著直接決定和綜合影響的作用。隔膜作為關(guān)鍵的內(nèi)層組件之一，其主要作用是隔絕正負(fù)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(chǎn)業(yè)鏈中最具技術(shù)壁壘的關(guān)鍵內(nèi)層組件。

1 隔膜的性能要求

1.1 力學(xué)強度

隔膜在電池結(jié)構(gòu)及充放電反應(yīng)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(fù)極反應(yīng)隔開，如果隔膜皺縮或破裂導(dǎo)致電解液滲透，就會發(fā)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(xué)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(yīng)該具有一定的拉伸強度，鋰離子電池在反應(yīng)過程中會放出或吸收熱量，隔膜會發(fā)生相應(yīng)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(dǎo)致短路發(fā)生。

1.2 熱穩(wěn)定性

由于鋰離子電池中電解質(zhì)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(yīng)具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和耐腐蝕性能，能夠在電池多次充放電過程中實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的完整性與反應(yīng)的穩(wěn)定性。此外，鋰離子電池在充放電反應(yīng)中會放熱，電池在連續(xù)工作時溫度會升高，隔膜的熱穩(wěn)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(dǎo)致的正負(fù)極接觸而導(dǎo)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(dǎo)率?？紫洞笮⒂绊戨姵貎?nèi)阻及電池的安全性?？紫短闺x子穿透率減低而增大電池內(nèi)阻，孔隙過大則會導(dǎo)致電池正負(fù)極接觸概率增大易導(dǎo)致短路，起不到隔膜的效果。優(yōu)良的鋰離子電池隔膜應(yīng)保證孔隙大小合適、分布均勻，不然會導(dǎo)致局部電流過大或過小，影響電池性能。

2 無機復(fù)合隔膜制備工藝和材料發(fā)展的必要性

2.1 鋰離子電池材料及其制備工藝的現(xiàn)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(fā)展會影響到鋰離子電池的容量、循環(huán)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(wěn)定性和浸潤性等性能上的表現(xiàn)較差，不能滿足市場對鋰離子電池的質(zhì)量和使用安全性不斷發(fā)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(chǎn)的隔膜雖然厚度較薄，但由于熔融溫度較低而導(dǎo)致隔膜在高溫穩(wěn)定性較差，以致造成電池短路，構(gòu)成不必要的安全威脅。

2.2 無機復(fù)合隔膜制備工藝和材料發(fā)展的必要性

在動力電池提高續(xù)航里程的發(fā)展趨勢下，隨著濕法隔膜生產(chǎn)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(dāng)下較為成熟且具有技術(shù)發(fā)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(xué)性能、耐熱性能、透氣性能、機械強度等不同性能優(yōu)勢的無機復(fù)合物（Al2O3、SiO2、TiO2和Ba-TiO3等），不僅能夠有效延續(xù)聚烯烴微孔隔膜低成本的優(yōu)勢，還能使鋰離子電池的性能得到適應(yīng)性地提高，從而極大優(yōu)化了鋰離子電池隔膜技術(shù)的實施環(huán)境，彌補干濕法工藝的不同技術(shù)缺陷，滿足市場對于鋰離子電池的性能的發(fā)展性要求。

3 無機復(fù)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(jù)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(yīng)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(jié)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(shù)的實施原理達到無機物材料在常規(guī)基膜上的單層復(fù)合（分布在基膜的一側(cè)，具有無機復(fù)合層和基膜的雙層結(jié)構(gòu)）和雙層復(fù)合（分布在基膜的前后兩側(cè)，具有兩層無機復(fù)合層中間加基膜層的三層對稱結(jié)構(gòu)或兩層基膜中間夾無機復(fù)合層的三明治結(jié)構(gòu)），涂覆制備工藝根據(jù)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(yōu)化，由于涂覆工藝下的無機復(fù)合層與基膜之間的結(jié)合度較差，從而極易造成無機復(fù)合粉體的脫落，靜電紡絲工藝就通過熱輥壓技術(shù)對雙層基膜中間夾無機復(fù)合層的三明治結(jié)構(gòu)進行必要的加工，以將無機復(fù)合層的兩側(cè)限制在兩層聚丙烯腈無紡布之間，達到無機復(fù)合層結(jié)合度的有效固化，同時強化復(fù)合隔膜的機械強度和熱穩(wěn)定性能，實現(xiàn)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(shù)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(yīng)控制在1um）制成分散液，通過一定配比的粘結(jié)劑（乳化石蠟CCS等）的加入得到最后的涂覆漿料。最后經(jīng)過雙向拉伸制備陶瓷復(fù)合隔膜，該種方法的無機復(fù)合材料緊密且均勻結(jié)合于基膜表面，穩(wěn)定性和機械強度更高。

4 結(jié)束語

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

參考文獻

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