聚合物隔膜在锂离子电池中的研究进展

聚合物隔膜在锂离子电池中的研究进展

聂祝平

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安徽新永拓新材料有限公司

摘要：近年来，随着新能源的迅猛发展，大容量高比能动力及储能锂离子电池的需求日益增长。然而，电池的安全性问题一直是制约其发展的关键因素之一。其中，作为锂离子电池关键组件的隔膜材料，其性能对电池的安全性和电化学性能具有重要影响。本文综述了近年来聚合物隔膜在锂离子电池中的研究进展，包括耐热型、浸润性改善以及新型复合隔膜等方面，并对未来发展方向进行了展望。

关键词：聚合物隔膜；锂离子电池；研究进展

引言

目前商品化使用最广泛的锂盐依然是六氟磷酸锂，其他锂盐尚在开发阶段，成熟度相对较低。商品化的锂离子电池隔膜主要是聚丙烯、聚乙烯的微孔隔膜及其复合膜。锂离子电池的充电过程是Ｌｉ＋从正极材料中脱出，经过电解液和隔膜嵌入到负极碳层间；放电过程与此相反，Ｌｉ＋从碳层间脱出，再次经过电解液和隔膜进入到正极材料中。如此往返循环，分别使正负极处于贫锂态和富锂态，从而使电子在外电路中运动而形成外电流。

1锂离子电池隔膜

锂离子电池隔膜作为锂离子电池的关键组件之一，具有维持电池安全性，提高电池性能等重要作用。它主要是隔绝正负极，防止两极直接接触造成短路，且可以使电解质离子通过。锂离子电池隔膜具备的性能及优点如下：良好的绝缘性，有效防止正负极之间的电子传输；高耐腐蚀性，隔膜需要能够耐受电池内部的化学腐蚀，包括电解质、正极和负极等；兼顾了内阻小和优异的机械强度；高耐热性和稳定性，在电池工作温度范围内保持稳定性，不发生热分解和化学变化；高机械强度，能够承受电池制造和使用过程中的力学负荷；能够保持锂离子在正负极之间的传输顺畅；足够的孔径和孔隙率，在允许锂离子通过的同时防止其他物质通过。

2聚合物隔膜的性能要求

（1）高离子导电性：聚合物隔膜需要具有良好的离子导电性，以保证锂离子在充放电过程中的快速传输。（2）高电化学稳定性：聚合物隔膜需要在各种工作条件下保持稳定的电化学性能，避免与电解液或电极材料发生化学反应。（3）低内部电阻：聚合物隔膜的内部电阻应尽量低，以减少电池的能量损失并提高电池的效率。（4）良好的机械强度和耐腐蚀性：聚合物隔膜需要具备足够的机械强度和耐腐蚀性，以承受电池在工作过程中可能产生的压力和腐蚀作用。

3聚合物隔膜在锂离子电池中的研究进展

3.1耐热型聚合物隔膜

传统聚烯烃隔膜如聚丙烯（PP）和聚乙烯（PE）因其较低的熔点和软化温度而限制了其在高温环境下的应用。为了提高隔膜的耐热性，研究者们通过引入耐高温聚合物、无机填料等方法进行改性。例如，采用聚酰亚胺（PI）、聚苯硫醚（PPS）等耐高温聚合物制备的隔膜具有较高的热稳定性和机械强度；通过在聚烯烃基体中添加氧化铝、二氧化硅等无机填料可以提高隔膜的耐热性和阻燃性。此外，一些新型的耐热型聚合物如聚芳酯类、聚砜类等也展现出良好的应用前景。

3.2浸润性改善

聚烯烃隔膜的非极性特性导致其电解液浸润性较差，进而影响电池的离子导电率和倍率性能。为了改善隔膜的浸润性，研究者们采用了多种方法。一方面，通过对隔膜表面进行化学修饰或接枝亲水基团可以增加其对电解液的亲和力；另一方面，将纳米粒子如氧化石墨烯、碳纳米管等添加到隔膜中可以形成三维多孔结构，提高电解液的渗透性和离子迁移速率。这些改进方法不仅提高了隔膜的浸润性，还有助于降低电池内阻和提高大电流充放电能力。

3.3新型复合隔膜

为了满足更高性能要求，研究者们开始探索新型复合隔膜的制备方法。通过将不同性能的材料进行复合可以实现优势互补，获得综合性能更优的隔膜。例如，将陶瓷材料与聚合物基体复合可以制备出具有高耐热性和良好浸润性的复合隔膜；将导电高分子与聚合物基体复合可以制备出具有自修复功能的智能隔膜。此外，还有一些研究者尝试利用生物基材料如纤维素、壳聚糖等制备环保型复合隔膜，以降低生产成本和环境污染。

3.4聚酰亚胺（ＰＩ）隔膜

聚酰亚胺（ＰＩ）是一种新型的绝缘材料，由于其优异的热学和化学性能，在各个领域得到了广泛的应用。与商业聚乙烯（ＰＥ）隔膜相比，ＰＩ隔膜在锂离子电池的碳酸盐和醚电解质中都表现出显著的热稳定性，更好的离子导电性和润湿性。使用ＰＩ隔膜组装的电池更坚固，即使在１４０℃下加热１ｈ后仍能工作，而使用商用ＰＥ隔膜组装的电池在相同条件下由于ＰＥ收缩而无法再充电。以ＰＭＤＡ－ＯＤＡ为原料，ＤＢＰ和Ｇｌｙ为制孔剂，通过相转化法制备ＰＩ隔膜，１８０℃热处理３０ｍｉｎ，隔膜尺寸无明显变化，且相对于ＰＥ隔膜对ＬｉＦＳＩ和ＬｉＰＦ６电解质中的吸收量分别提高６８％和９１％，电导率提升０．０１１Ｓ／ｍ和０．００６Ｓ／ｍ。采用静电纺丝法制备ＰＢＩ／ＰＩ复合纤维隔膜，其孔隙率达到８２％，吸液率达到６１８％，在空气气氛中，３００℃无尺寸收缩，离子电导率与ＰＰ（Ｃｅｌｇａｒｄ２４００）相比，几乎提高了一个数量级，达到０．１２９Ｓ／ｍ，在１Ａ／ｓ循环１００次后容量保持率可高达９８．９１％。采用静电纺丝法制备ＰＩ隔膜，在０．２Ｃ倍率下，循环１００次后，容量保持率接近１００％，与商用Ｃｅｌｇａｒｄ隔膜相比，其在５００℃依然有较高的热稳定性，而商用Ｃｅｌｇａｒｄ隔膜在１５０℃尺寸急剧减小，甚至在１６７℃发生融化。

4聚合物隔膜的应用前景

随着电动汽车的普及和技术的不断进步，对电池的安全性能和能量密度要求越来越高。聚合物隔膜电池使用高分子材料作为隔膜，具有很高的化学稳定性和热稳定性，能够有效地防止电池正负极之间的直接接触，降低电池短路的风险，提高电池的安全性能，并且聚合物电池隔膜的孔径大小和孔隙率可以通过改变聚合条件以及加工工艺进行调节，可以满足目前新能源行业快速发展对电池隔膜的高要求。聚合物隔膜种类多种多样，可以根据实际应用中所需要的性能设计出对应的聚合物隔膜来满足不同行业对电池隔膜的需求，或许会成为未来聚合物隔膜的发展趋势。

结语

聚合物隔膜作为锂离子电池的关键组件之一，其性能对电池的安全性和电化学性能具有重要影响。本文从耐热型、浸润性改善以及新型复合隔膜等方面综述了近年来聚合物隔膜在锂离子电池中的研究进展，并对未来发展方向进行了展望。相信随着科技的不断进步和创新发展，聚合物隔膜的性能将得到进一步提升和完善，为锂离子电池的广泛应用提供有力支撑。

参考文献

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