锂离子电池隔膜的成型工艺新进展

当今或未来将一直是电子电工技术及相应产品的高速发展时代，新型的电子产品可谓是日新月异，而电池的比容量、充放电速率、循环耐久性和安全性将直接影响着电子产品的使用质量。在电池体系中，锂离子电池与其他电池相比较，具有高容量、耐用、优异的充放电速度等特点，被大规模应用于人类的生活之中，近几年来随着智能电子产品的普及以及新能源汽车的兴起，锂离子电池的研制受到越来越多的关注[1-5]。同时随着人们生活质量的提高、工程行业的发展及各类电池应用环境的复杂化，人们更加追足于高性能电池的研究。

电池隔膜在锂离子电池组件中充当着重要的“桥梁作用”，在使用过程中即使温度升高也可以保证电化学反应有序可逆进行。同时隔膜也直接决定着电池的安全性能。研究发现，若使用的电池隔膜过薄将会导致在使用过程中正负极两相接触形成局部短路进而引发电池爆炸，因此，人们对锂离子电池安全性能一直保持着极大关注，而改善锂离子电池隔膜的物化性能是提高其池安全性的根本的重要的环节。

研制新的锂离子电池隔膜材料、改善生产工艺是提高锂离子电池性能的有效手段。本文综述了聚烯烃、无纺布、无机复合材料、凝胶电解质电池隔膜材料，以及不同制备工艺条件下的处理方法、原理和应用等，最终达到改善锂电池隔膜性能的研究及应用进展。

1 隔膜的主要作用

表1 锂离子电池隔膜性能对锂离子电池性能的影响关系[2]Table 1 The relationship between lithium-ion battery separator feature and its performance隔膜性能电池性能安全性容量倍率循环性能质量体积厚度↑↑↓↓↓↑↑孔隙率↑↓-↑↑--透气阻力↑↑-↓↓--内阻↑↑↓↓--热收缩率↑↓-----穿刺强度↑↑-----机械强度↑↑-----孔径↑↓↑↑↑--均一性↑↑↑↑↑--

电池隔膜在锂离子电池中起到了重要的作用：(1)隔离正、负极并阻止电池中自由电子的无定向运动，并确保电解质液中的离子可自由通过。(2)调控锂离子传导及控制能力，限制了电池过度充电或使用温度过高状态下的电流进一步升高。(3)降低了电池的短路几率，保护了使用者和设备器件的安全[1-2]。

2 电池隔膜材料

近年来锂离子电池隔膜的研究热点主要分为两个方向：一是技术上的创新，例如通过改进传统生产工艺制备出微孔聚烯烃、无纺布等；二是进行新材料上的研发比如聚合物/无机复合材料和凝胶聚合物电解质膜[3]，以下是这四种材料的介绍。

2.1 微孔聚烯烃膜

多年来，经过不断的改良与实际应用，聚烯烃微孔膜已成为目前综合性能最好的锂离子电池隔膜。根据生产工艺与设计理念的不同可分为单层膜与多层膜，主要有：聚乙烯(PE)单层膜、聚丙烯(PP)单层膜以及PP/PE/PP三层复合膜[4-5]。

表2 常见三种不同聚烯烃微孔隔膜的比较[5]Table 2 Compared with among three different polyolefin microporosity membrane材质材质特点制造要求优点缺点代表企业PE熔点:110～140 ℃,高密度聚乙烯可使熔点提升溶液混合后以吹塑法或射出成型再加工孔隙率、透气率高、机械强度高熔点较低东丽、旭化成、EntekPP熔点:165～174 ℃,分子量大挤出成型或注塑成型再机械拉伸材料强度好,加工范围较宽,可进行双向拉伸在加热条件下易氧化格瑞恩PP/PE/PP结合聚烯烃各种材质的不同特性具有自关闭功能多层共挤技术低熔点PE具有热反应功能,PP机械性能好,兼顾安全性昂贵、技术难度高Celgard、宇部、沧州明珠

2.2 无纺布

无纺布材料通常采用特制纤维进行定向或随机排列，其结构呈现为网状，再通过机械、热粘或化学交联等方法加固而成。其中，纤维包括天然和合成纤维材料，如天然的纤维素及其衍生物、合成的聚烯烃纤维、聚酰胺(PA)纤维和聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)纤维等；无纺布隔膜具有良好的力学性能以及较高的熔融温度，在使用条件下很好的保持了尺寸的稳定性[6]。

张崧等[7]利用细菌纤维素(Bacterial Cellulose，BC)的纳米纤维与纳米二氧化钛(TiO2)颗粒进行复合，制备出了具有极性、多孔和良好热稳定性的BC/TiO2复合膜，BC/TiO2隔膜与商品化电池隔膜(Celgard2325)相比具有更高的离子电导率，当纳米TiO2为20.81wt%时，BC/TiO2复合膜具有最大的室温离子电导率(1.70×10-3 S/cm)；另外，使用BC/TiO2制备的电池兼具较好的循环充放电性。

2.3 无机-有机复合材料

无机复合膜也称陶瓷膜，它是由少量的粘合剂与无机粒子复合而成的多孔膜，该膜具有良好的柔韧性、高力学强度、高热稳定性、极好的耐高温性、优良的电解液润湿和吸附性能。目前，通过无机物与有机物的协同作用制备复合膜材料，大幅度地提高了电池隔膜的电化学性能[8]。

文章来源：《湿法冶金》 网址: http://www.sfyjzz.cn/qikandaodu/2021/0420/455.html