李亚磊
沧州明珠塑料股份有限公司 061000
摘要：在锂电池的结构中，电池隔膜是关键的内层组件之一，也是技术壁垒最高的一种高附加值材料，约占锂电池成本的20%~30%。隔膜的好坏决定了电池的界面结构、内阻等，直接影响电池容量、循环以及安全性能等特性。尽管国内动力锂电池隔膜产能增长迅速，但高端隔膜技术尚待突破，采用创新技术推动高端隔膜国产化已成为中国锂离子电池产业发展的当务之急。
关键词：动力锂电池；隔膜技术；研究进展
1.动力锂电池概述
动力锂电池又称为“锂离子动力电池”，目前常用的锂电池结构一般包括正极材料、隔膜、电解液、负极材料和外壳。其中，正极材料由锂金属氧化物构成，如磷酸铁锂、锰酸锂；电解质一般选择LiAsF6、LiBF4等锂盐；隔膜一般为聚烯烃多孔膜；负极材料一般为石墨，在负极性能相似的情况下，锂离子电池的性能很大程度上取决于正极材料；由于外壳材料的不同，锂电池有了金属外壳和软包外壳之分。目前常用的动力锂电池有钴酸锂电池、磷酸铁锂电池、锰酸锂电池和三元材料锂电池。
1.动力锂电池隔膜技术要求
目前，锂离子电池隔膜的生产工艺主要有干法单向拉伸、干法双向拉伸和湿法工艺，产品主要是单层聚乙烯（PE）隔膜、单层聚丙烯（PP）隔膜、双层PP/PE隔膜、双层PP/PP隔膜、三层PP/PE/PP复合隔膜。汽车动力锂电池使用的隔膜材料以三层PP/PE/PP复合隔膜、双层PP/PE隔膜为主。
与通讯用锂电池相比，动力锂电池具有更高的能量密度和功率密度，在过充/过放或其他非正常使用的极限条件下，电池内部的温度会迅速升高，达到隔膜材料PP或PE熔点以上的温度，使隔膜发生熔融断裂，正极、负极直接接触，引起电池短路，从而导致电池起火或爆炸，造成重大安全事故。所以动力锂电池对隔膜提出了更高的要求，要求隔膜具有更高的机械强度，更好的耐热和闭孔性能。
同时，动力锂电池要求隔膜具有更高的均匀、一致性，孔径分布更加均匀。当前，锂离子电池材料中的正极材料、负极材料、电解液等核心材料已经取得长足进步，动力锂电池的安全性能已经有了很大提高，大容量单体电芯的生产将成为可能。
1.动力锂电池隔膜技术研究进展
3.1涂层隔膜
涂层隔膜主要有：①以PP微孔膜为基体材料，陶瓷材料为涂层材料，进行单面或双面涂覆；②以PE微孔膜为基体材料，陶瓷材料为涂层材料，进行单面或双面涂覆；③以聚对苯二甲酸乙二酯膜为基体进行涂层改性的隔膜；④以耐热聚合物为涂层的隔膜等。经过涂层处理的隔膜可以改善耐热性能，解决亲电解液性能，延长循环寿命等，满足动力锂电池对隔膜的要求。譬如在聚烯烃基质微孔膜的上表面或上表面和下表面复合陶瓷涂层，陶瓷涂层的厚度为2～5，绿色高性能陶瓷涂层锂电池隔膜的总厚度为8～40。聚烯烃基质微孔膜上孔的轴截面为波浪状，孔隙率为42%～52%，孔径为0.15～1.50。采用该绿色高性能陶瓷涂层隔膜制造的锂离子电池具有较好的安全性，有效地解决了现有锂电池隔膜陶瓷涂层脱落、不耐高温及锂离子电池因隔膜造成的安全问题；该锂离子电池隔膜孔隙率高，具有很好的电解液润湿性、力学性能和耐温性能，同时还具有关断保护性能，可广泛用于动力锂离子电池。
3.2纳米纤维隔膜
近年纳米纤维膜的制备技术受到广泛关注，而静电纺丝是最为主要的方法。美国的杜邦公司掌握该技术。国内方面，中科院理化技术研究所经过多年的努力，在静电纺丝制备纳米纤维锂电池隔膜项目上取得突破性进展，与进口隔膜装配的电池相比，其循环性能得到提高，热稳定性得到明显改善，在14C放电的条件下，电池的能量保持率在75%～80%之间，而进口PE/PP隔膜的保持率只有15%～20%。
3.3有机/无机复合隔膜
聚烯烃类有机隔膜在热稳定性、亲液性等方面存在不足，作为动力锂电池隔膜，其安全性能有待提升；而有机/无机复合隔膜在生产PE隔膜的过程中掺入无机纳米粉，在复合膜隔中形成刚性骨架，可达到提高隔膜耐热性的目的，进而提升动力锂电池的安全性能。
有研究表示，按比例将有机树脂、无机粒子和稀释剂在150～280℃条件下搅拌形成均相溶液，然后在150～220℃条件下热压成厚度为20～1000的平板膜；用0～100℃的水浴或以0～200℃/min的降温速率使平板膜冷却至室温，对平板膜进行先拉伸后萃取或先萃取后拉伸，再经干燥处理得到无机粒子质量分数为0.1%～20.0%，有机树脂质量分数为10.0%～70.0%的复合膜。该膜具有孔隙率易控制、孔径可调、微孔贯通性及高温稳定性较好等优点。
3.4聚酰亚胺（PI）类隔膜
PI是综合性能良好的聚合物之一，具有优异的热稳定性能和力学性能。较高的孔隙率和内在的化学结构使薄膜具有良好的离子迁移率和电解液润湿性，可耐400℃以上的高温，长期使用温度为-200～300℃，绝缘性能良好。与传统PP/PE/PP隔膜的性能相比，PI隔膜的溶解温度高于500℃，在350℃时的横、纵向收缩率为0，极大改善了电池在高温工作状态下的稳定性。
将聚酰胺酸溶液经静电纺丝制得聚酰胺酸纳米纤维膜后，在pH值为8～10的氨水溶液中刻蚀60s形成交联结构，经水洗，干燥，于300℃亚胺化制得隔膜。采用该方法制备的锂离子电池隔膜具有力学性能好、热稳定性高、孔隙率高以及电化学性能优异的特点。该电池隔膜具有交联结构，解决了无纺PI纳米纤维膜强度低和孔结构过于开放的问题。同时，该电池隔膜的孔隙率在80%左右，可耐300℃的高温而不产生任何变形，克服了聚烯烃微孔隔膜孔隙率低和耐温性能差的弊端，而且，隔膜在电池大倍率快速充放电下的比容量明显优于传统的聚烯烃微孔隔膜。
1.动力锂电池隔膜技术发展中需要注意的问题
业内专家指出，目前，电池隔膜行业发展趋势主要有两种：一种是倾向于更加轻薄的消费类锂电池隔膜，主要针对手机、笔记本电脑以及物联网应用等分布式应用架构体系，提升锂电池的容量和便携性；另一种是倾向于使用厚膜或者多层复合隔膜的动力电池类隔膜，主要针对电动汽车、大规模储能电站等大型动力类应用，要求能量输出和功率特性较好，对安全性要求苛刻，能够兼顾锂电池的容量和安全性能。这就需要注意以下三个方面的问题：
首先是提高企业的自主创新水平，确保产品质量的稳定一致性。隔膜未来的研发重点是新能源汽车动力电池隔膜。由于锂电池具有潜在的爆炸隐患，隔膜的安全性至关重要，因此需要重点解决隔膜的耐热性能，生产能在充放电过程中，大面积正、负极短路后仍能保持隔膜完整性的耐高温复合隔膜。
其次要注重隔膜专用原料的研发。我国隔膜产品与国外的差距，在很大程度上取决于原材料质量不达标。国外知名隔膜厂家很多都自己生产原料，或是同原料厂家联合开发生产隔膜专用料，而国内市场则是“各自为政”的状态，生产与使用断层问题层出不穷。
最后要建造独具特色的隔膜生产线。隔膜生产线工艺性很强，要研发自己的工艺路线，就要建成一批高效率、适合自身工艺特点的生产线，以完全满足生产需要。
结 语：
随着对环境保护的要求越来越高，我国政府大力推广新能源动力汽车，导致对动力锂电池的需求增加，动力锂电池隔膜的市场前景广阔。这就需要相关隔膜制造企业以及动力锂电池企业间加强沟通和协作，通过产、学、研相结合，加快产业化发展的步伐。
参考文献：
1.王畅，吴大勇.锂离子电池隔膜及技术进展［J］.储能科学与技术，2016，5（2）：120-128.
2.李登科，王丹.动力锂电池隔膜的技术要求及研究进展［J］.浙江化工，2014，45（5）：38-41.