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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 锂离子电池隔膜的讨论及进呈现状来源：佛山塑料集团股份有限公司日期： 2022-7-1 作者：全球电池网点击： 4599 摘要：综述了隔膜的主要作用及性能、国内外讨论与进呈现状；重点表达 了隔膜的制备方法,对干法和湿法的原理、工艺及所制得的隔膜性能上的区分 进行了具体的阐述；同时简洁介绍了隔膜的改性讨论现状和新型电池隔膜的发 展,最终对电池隔膜的将来进展趋势进行了展望；关键词：锂离子电池；隔膜；讨论进展 随着信息、材料和能源技术的进步,锂离子电池以其高比能量、长循环寿 命、无记忆效应、安全牢靠以及能快速充放电等优点而成为新型电源技术讨论 的热点；
2、锂离子电池除广泛用于日常熟知的手机、笔记本电脑以及其他数码电 子产品之外,电动车的进展也将带动锂离子电池的更大需求,且在航空航天、航海、人造卫星、小型医疗、军用通信设备等领域中也得到了应用,逐步代替 传统电池；据统计, 2007年铅酸电池在电池市场中所占份额下降到 50以下,2007年以后锂离子电池已在市场中占主导位置；我国近几年在锂离子电池产业 化方面取得了可喜进展,已成为全球重要的锂离子电池生产基地,产量跃居全 球第三；目前国内从事锂离子电池行业的企业超过百家,其中深圳的比亚迪、比克,天津的力神等已进展成为全球电池行业的骨干企业；随着锂离子电池应用范畴的进一步扩大,隔膜材料的需求量将进一步
3、增 加；而世界上只有日本、美国等少数几个国家拥有锂离子电池聚合物隔膜的生 产技术和相应的规模化生产,我国在锂离子电池隔膜的讨论与开发方面起步较晚,仍主要依靠进口,隔膜的平均售价为815 元m2,约占整个电池成本的14,从而导致锂离子电池市场价格高居不下,目前国内 80以上的隔膜市场 被美、目等国家垄断,国产隔膜主要在中、低端市场使用；实现隔膜的国产 化,生产优质的国产化隔膜,能有望降低整个隔膜乃至锂离子电池的市场价 格；1 电池隔膜的主要作用及性能要求 电池隔膜是指在锂离子电池正极与负极中间的聚合物隔膜,是锂离子电池 最关键的部分,对电池安全性和成本有直接影响；其主要作用有：隔离正、负 极并使
4、电池内的电子不能自由穿过；让电解质液中的离子在正负极间自由通过；其锂离子传导才能直接关系到锂离子电池的整体性能,其隔离正负极的作 用使电池在过度充电或者温度上升的情形下能限制电流的上升,防止电池短路 引起爆炸,具有微孔自闭爱护作用,对电池使用者和设备起到安全爱护的作1 / 7 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 7 页精选学习资料 - - - - - - - - - 用；隔膜性能的优劣打算电池的界面结构和内阻,进而影响电池的容量、循环 性能、充放电电流密度等关键特性,可见,性能优异的隔膜对提高电池的综合 性能有重要作用；对隔膜的基本要求是：具有足够的隔离性和电子绝缘性,能保
5、证正负极的 机械隔离和阻挡活性物质的迁移；有肯定的孔径,对锂离子有很好的透过性,保证低电阻和高离子传导率；由于锂离子电池采纳有机溶剂和非水电解液,因 此应具有足够的化学稳固性和电化学稳固性,有肯定的耐湿性和耐腐蚀性；对 电解液的浸润性好,有足够的吸液保湿才能和离子导电性；具有足够的力学性 能和防震才能,并且厚度尽可能小；自动关断爱护性能好；隔膜的力学性能是 影响其应用的一个重要因素,假如隔膜破裂,就会发生短路,降低成品率,因 此要求隔膜有肯定的强度、弹性和耐摩擦性能；2 锂离子电池隔膜制备方法 聚乙烯 PE、聚丙烯 PP微孔膜具有较高孔隙率、较低的电阻、较高的抗 撕裂强度、较好的抗酸碱才能、良
6、好的弹性及对非质子溶剂的保持性能,因此 锂离子电池讨论开发初期用其作为隔膜材料；目前市场化的锂离子电池隔膜主 要有单层 PE、单层 PP、3 层 PPPEPP复合膜；锂离子电池隔膜按制备工艺的不同可分为干法和湿法两大类,主要区分在 于隔膜微孔的成孔机理不同；21 干法工艺 干法是将聚烯烃树脂熔融、挤压、吹膜制成结晶性聚合物薄膜,经过结晶 化处理、退火后,得到高度取向的多层结构,在高温下进一步拉伸,将结晶界 面进行剥离,形成多孔结构,可以增加薄膜的孔径；干法按拉伸方向不同可分 为干法单向拉伸和双向拉伸；干法单向拉伸工艺是通过硬弹性纤维的方法,制备出低结晶度的高取向 PE 或 PP隔膜,再高温退火
7、获得高结晶度的取向薄膜；这种薄膜先在低温下进行拉 伸形成银纹等缺陷,然后在高温下使缺陷拉开,形成微孔；目前美国 Celgard公司、日本宇部公司均采纳此种工艺生产单层PE、PP以及 3 层 PPPEPP复合膜；该工艺生产的隔膜具有扁长的微孔结构,由于只进行单向拉伸,隔膜的 横向强度比较差,但横向几乎没有热收缩；由于受国外专利爱护,国内采纳单 向拉伸方法制备隔膜的工业化进展很慢,目前杭州的一条生产线通过在 PP中加 入成核剂以及油类添加剂来加速退火过程中的结晶速率而制备的单层 PP隔膜已2 / 7 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 7 页精选学习资料 - - - - - -
8、 - - - 在市场上销售；干法双向拉伸工艺是中科院化学讨论所20 世纪 90 岁月初开发的具有自主学问产权的工艺；通过在PP中加入具有成核作用的 晶型改进剂,利用PP不同相态间密度的差异,在拉伸过程中发生晶型转变形成微孔；与单向拉伸相 比,其在横向方向的强度有所提高,而且可以依据隔膜对强度的要求,适当的 转变横向和纵向的拉伸比来获得所需性能,同时双向拉伸所得的微孔的孔径更加匀称,透气性更好；从 识产权的干法双向拉伸制备2000 年开头,在国家 863 方案的支持下,具有自主知 PP微孔膜的技术在营口向阳化工厂进行中试；Mxu 等采纳干法双向拉伸技术,制备了亚微 M 级孔径的微孔 PP隔膜,其
9、微孔具有很好的力学性能和渗透性能,平均孔隙率为3040,平均孔径为 0. 05 m；采纳双向拉伸制成的隔膜的微孔形状基本上是圆形的,即有很好的渗透性和力学性能,孔径更加匀称；THYu 介绍了制膜的另一种拉伸工艺,拉伸在极低的温度 如一 198一 70下进行,然后在低于聚合物熔融温度的条件下热固定,再在聚合物熔融温度下,以 膜；10 mms的速度拉伸,制备微孔干法拉伸工艺较简洁,且无污染,是锂离子电池隔膜制备的常用方法,但该工艺存在孔径及孔隙率较难掌握,拉伸比较小,只有约 时简洁导致隔膜穿孔,产品不能做得很薄；22 湿法工艺13,同时低温拉伸湿法又称相分别法或热致相分别法,将液态烃或一些小分子物
10、质与聚烯烃 树脂混合,加热熔融后,形成匀称的混合物,然后降温进行相分别,压制得膜 片,再将膜片加热至接近熔点温度,进行双向拉伸使分子链取向,最终保温一 定时间,用易挥发物质洗脱残留的溶剂,可制备出相互贯穿的微孔膜材料,此 方法适用的材料范畴广；采纳该法的公司有日本的旭化成、东然、日东以及美 国的 Entek 等,用湿法双向拉伸方法生产的隔膜孔径范畴处于相微观界面的尺寸数量级,比较小而匀称,双向的拉伸比均可达到57,因而隔膜性能出现各向同性,横向拉伸强度高,穿刺强度大,正常的工艺流程不会造成穿孔,产品可以做得更薄,使电池能量密度更高；国内佛山塑料集团于 2004 年建立了一条采纳湿法工艺生产 P
11、E 隔膜的双向拉伸生产线,产品于 2005年底在市场上销售；3 / 7 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 7 页精选学习资料 - - - - - - - - - 由图 1 可以清楚看到干法与湿法制得的电池隔膜的表面形状、孔径和分布都有很大的不同；湿法工艺可以得到复杂的三维纤维状结构的孔,孔的曲折度相对较高,而干法工艺是拉伸成孔,因此间隙狭长,成扁圆形,孔曲折度较低；3 锂离子电池隔膜的讨论现状3.1 多层隔膜干法工艺主要以 PP为主要原料,而湿法工艺主要以PE 为主要原料；因此以干法工艺制备的隔膜通常闭孔温度较高,同时熔断温度也很高,而以湿法工 艺制备的 PE 隔膜闭孔温
12、度较低,熔断温度也较低；考虑到安全性能,锂离于 电池隔膜通常要求具有较低的闭孔温度和较高的熔断温度,因此,多层隔膜的讨论受到广泛关注,多层隔膜结合了PE和 PP的优点； Celgard公司主要生产PPPE双层和 PPPEPP 3层隔膜, 3 层隔膜具有更好的力学性能,PE夹在2 层 PP之间可以起到熔断保险丝的作用,为电池供应了更好的安全爱护；Nitto Denko 公司采纳干燥拉伸法,从PPPE双层隔膜中提取了单层隔膜,其具有PP和 PE微孔结构,在 PE熔点邻近,其阻抗增加,在 PP熔点以下仍具有很高的阻抗； Exxon Mobil 公司采纳专有的双向拉伸生产工艺,并以特别定制的高耐热性聚
13、合物为基础制成了多层隔膜,在105下的热收缩率仅在13.5之间,孔隙率在 50左右,而破膜温度达到了180190,同时仍保持了较好的闭孔温度和力学性能； DSM Solutech 公司采纳双轴拉伸法,以超高相对分子质量 PE 为原料生产的商品名为Solupur 的隔膜,具有良好的电化学性能,平均面密度为 716 gm2,平均孔径为 12 m,平均孔隙率为 80 90；F .G .B .Obms等讨论发觉： Solupur 材料具存低曲率、高强度和较好的润湿性；3 .2隔膜表面改性 PE和 PP隔膜对电解质的亲和性较差,讨论者对此进行了大量的改性工 作,如在 PE、PE 微孔膜的表面接枝亲水性单
14、体或转变电解质中的有机溶剂4 / 7 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 7 页精选学习资料 - - - - - - - - - 等；程琥等在 Celgard2400单层 PP膜表面涂覆掺有纳M 二氧化硅的聚氧乙烯,改善了隔膜的润湿性,提高了隔膜的循环性；Gineste等在 Celgard2505单层 PP膜的表面辐射接枝二甲基丙烯酸二乙二醇酯和极性丙烯酸单体,并讨论了不同接枝率对电池性能的影响；Ko 等也讨论了采纳接枝了甲基丙烯酸缩水甘油酯GMA 的单层 PE 为隔膜的锂离子电池的性能,发觉采纳 PE-g-MA 接枝隔膜后 锂离子电池的循环性能得到较大幅度的提高,这是由于
15、隔膜接枝后,吸液率和 保液性得到提高；严广炅等以现有的强度较高的液态锂离子电池用 3 层复合微 孔膜作为基体进行表面处理,在表面形成一层改性膜,改性膜材料与聚合物正极材料兼容并能复合成一体,使该膜在具有较高强度的前提下,降低了隔膜的 厚度,减小了电池的体积；33 新型锂离子电池隔膜 聚合物电解质隔膜：聚合物锂离子电池是近年来讨论的热点,由于采纳固 态胶体 电解质代替液态电解质,聚合物锂离子电池不会产生漏液与燃烧爆炸 等安全上的问题；其使用的聚合物电解质具有电解质和隔膜的双重作用,一般以聚偏氟乙烯 -六氟丙烯 PVDF-HFP为原料或对其进行改性,Bellcore 公司用 PVDF-HFP 制成
16、隔膜,有较高的孔隙率,室温下吸取碳酸丙二醇酯量可达自重 的 118,具有很好的润湿性；任旭梅等在倒相法制备多孔膜的基础上,采纳溶液涂覆的方法,直接制备了PVDF-HFP 多孔隔膜,该法制得的多孔膜孔径约为 2 m,厚度为 50 m,孔隙率为 60,具有较好的力学性能；谢健等采纳溶液浇注和电解液吸取的方法制备了PVDF-HFP/纳 MAl2O3 基聚合物凝胶电解质隔膜,其具有较高的电解液吸取率及良好的力学性能；电化学阻抗谱的分析 结果说明,与纳 MAl2O3 共混得到的薄膜与镍电极具有较低的界面电阻,将此 电解质隔膜组装成半成品电池后表现出优良的充放电性能；价格及其他一些技 术问题,如常温下离子
17、电导率低等是限制其应用的重要缘由,因此聚合物电解 质要完全代替 PE、PP膜而单独作为锂离子电池隔膜,仍有很多问题需要解 决；高孔隙率纳 M 纤维隔膜：近年来,纳M 纤维膜的制备技术受到广泛关注,而静电纺丝是最为重要的方法,但在解决单喷头静电纺丝的局限、纳 M 丝之间不黏结和薄膜力学性能低等关键技术方面有待突破；中科院理化技术讨论所经过多年的努力,在静电纺丝制备纳M 纤维锂离子电池隔膜工程上取得了突破性的进展；研制了多点多喷头静电纺丝设备,开发具有生产价值的制备技术,把握了纳 M 纤维膜孔隙率掌握技术；同时将纳 5 / 7 M 纤维隔膜装配的锂离子名师归纳总结 - - - - - - -第 5
18、 页,共 7 页精选学习资料 - - - - - - - - - 电池与用进口 PE、PP隔膜装配的电池相比,其循环性能得到提高,热稳固性得到了明显改善,在 14 C 放电条件下,纳 M 纤维隔膜电池的能量保持率在7580之间,而进口 PEPP隔膜电池的能量保持率仅为 15 20；目前其正积极与中信国安盟固利公司合作筹备中试,争取尽快把这一成果推向产业化；Separion隔膜：在新型锂离子电池隔膜的讨论中,德国德固赛公司结合有机物的柔性和无机物良好热稳固性的特点,生产的商品名为 Separion的隔膜占据了肯定的先机,已批量生产,其制备方法是在纤维素无纺布上复合 Al2O3 或其他无机物； S
19、eparion隔膜熔融温度可达到230,在 200下不会发生热收缩,具有较高的热稳固性,且在充放电过程中,即使有机物底膜发生熔化,无 机涂层仍旧能够保持隔膜的完整性,防止大面积正负极短路现象的显现,提 高电池的安全性；但由于采纳纤维素无纺布,且表面具有压实的 Al2O3 ,所以 其孔隙率较低,因而在性能方面仍需要不断完善；4 锂离子电池隔膜的进展趋势 电池隔膜是随着锂离子电池的需求不断变化而不断进展的,从体积上看,锂离子电池正在向着小和大两个截然相反的方向进展；在一些小型电子产品中 如手机、数码相机等 为迎合美观、便于携带的需求,电池厂将电池的电芯做 得特别小巧,为追求高能量密度,就需要在有限
20、的空间中容纳更多的电极材 料,期望隔膜的厚度越薄越好,但又不至于影响电池的容量、循环性能以及安 全性能等,因此体积更小对隔膜来说是一个挑战；而与此相反,随着电动汽 车、混合电动汽车等的进展,在动力电池方面,为了获得高能量、供应大功 率,通常一个电池需要使用几十甚至上百个电芯进行串联；由于锂电池具有潜 在的爆炸危急,隔膜的安全性至关重要,因此隔膜不能做得很薄,同时对技术 的要求也越来越高；对于混合电动汽车,其重点是提高高倍率放电性能；对于 电动汽车,应考虑降低隔膜的成本,这些都为多层隔膜、有机无机复合膜的 进展供应了一个平台；5 结语 锂离子电池的进展趋势是进一步降低制造成本,提高安全性和循环寿命,开发出可再生能源储能电池和电动车用电池,实现锂离子电池高性能、低价格 的目标；随着锂离子电池的飞速进展,隔膜的市场及进展前景特别可观,聚烯 烃微孔膜以其特别的结构与性能,在液态锂离子电池中占据了肯定的主导地 位；随着对锂离子电池性能要求的提高,使隔膜的制备方法呈多样化,制备工6 / 7 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 7 页精选学习资料 - - - - - - - - - 艺不断完善,改性技术被广泛讨论,同时新型锂离子电池隔膜也得到肯定的发展7 / 7 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页,共 7 页