隔膜

化学名词

隔膜是电解反应时，用以将正负两极分开防止在电解池中直接反应损失能量的一层薄膜。锂电池的结构中，隔膜是关键的内层组件之一。隔膜的性能决定了电池的界面结构、内阻等，直接影响电池的容量、循环以及安全性能等特性，性能优异的隔膜对提高电池的综合性能具有重要的作用。

电解池

将水电解槽水电解小室分隔为阴极区、阳极区，并使产生的氢气、氧气分隔，防止氢气、氧气互相穿透，但离子可迁移。

电池

电池是隔膜的一项最重要的应用：

主要是将电池正、负级板分隔开来,防止两极接触造成短路，并且能使电解质中的离子通过。

以锂离子电池为例来说明隔膜的各项性能：

1、良好的化学稳定性---电解液为有机溶剂体系，隔膜材料不能与之发生化学反应或溶解；

2、较高的拉伸强度、穿刺强度以满足缠绕组装的要求；

3、较高的孔隙率以增大电流密度，孔径分布均匀以避免电流密度不均匀造成局部过热；

4、对电解液浸润性好，吸液率高，有利于提高离子电导率；

5、具有较低的闭孔温度和较高的破膜温度，保证电池使用安全。

锂电池隔膜关键技术

在锂电池的结构中，隔膜是关键的内层组件之一。隔膜的性能决定了电池的界面结构、内阻等，直接影响电池的容量、循环以及安全性能等特性，性能优异的隔膜对提高电池的综合性能具有重要的作用。隔膜通俗点的描述就是一层多孔的塑料薄膜，是锂电材料中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%。隔膜价格居高不下的主要原因是一些制作隔膜的关键技术被日本和美国所垄断，国产隔膜特别是高端隔膜的指标还未达到国外产品的水平。隔膜技术难点在于造孔的工程技术以及基体材料。其中造孔的工程技术包括隔膜造孔工艺、生产设备以及产品稳定性。基体材料包括聚丙烯、聚乙烯材料和添加剂。

主要条件

锂电池隔膜的要求

一、具有电子绝缘性，保证正负极的机械隔离。

二、有一定的孔径和孔隙率，保证低的电阻和高的离子电导率，对锂离子有很好的透过性。

三、由于电解质的溶剂为强极性的有机化合物，隔膜必须耐电解液腐蚀，有足够的化学和电化学稳定性。

四、对电解液的浸润性好并具有足够的吸液保湿能力。

五、具有足够的力学性能，包括穿刺强度、拉伸强度等，但厚度尽可能小。

六、空间稳定性和平整性好。

七、热稳定性和自动关断保护性能好。动力电池对隔膜的要求更高，通常采用复合膜。

特性

现有主要隔膜产品的一般特性

锂离子电池隔膜的主要性能要求有：厚度均匀性、力学性能（包括拉伸强度和抗穿刺强度）、透气性能、理化性能（包括润湿性、化学稳定性、热稳定性、安全性）等四大性能指标。

锂离子电池的隔膜性能

隔膜位于正极和负极之间，主要作用是将正负极活性物质分隔开，防止两极因接触而短路；此外在电化学反应时，能保持必要的电解液，形成离子移动的通道。隔膜材质是不导电的，电池的种类不同，采用的隔膜也不同。对于锂离子电池，由于电解液为有机溶剂体系，其隔膜要求具有以下性能。

① 在电池体系内，其化学稳定性要好，所用材料能耐有机溶剂。

② 机械强度大，使用寿命长。

③ 有机电解液的离子电导率比水溶液体系低，为了减少电阻，电极面积必须尽可能大，因此隔膜必须很薄。

④ 当电池体系发生异常时，温度升高，为防止产生危险，在快速产热温度(120～140℃)开始时，热塑性隔膜发生熔融，微孔关闭，变为绝缘体，防止电解质通过，从而达到遮断电流的目的。

⑤ 从锂电池的角度而言，要能被有机电解液充分浸渍，而且在反复充放电过程中能保持高度浸渍。

电池中常用的隔膜材料一般是用纤维素或编织物、合成树脂制得的多微孔膜。锂离子电池一般采用高强度、薄膜化的聚烯烃系多孔膜，常用的隔膜有聚丙烯(PP)和聚乙烯(PE)微孔隔膜，以及丙烯与乙烯的共聚物、聚乙烯均聚物等。

锂离子电池的广泛应用

近年来，将聚合物电解质用于锂离子电池已实现了商品化，聚合物电解质在锂离子电池中既是离子迁移的通道，又起到正负极材料间的隔膜作用。聚合物电解质可分为固体聚合物电解质及凝胶聚合物电解质，作为实用的聚合物电解质隔膜必须满足以下几个必要条件：①具有高的离子电导率，以降低电池内阻；②锂离子的传递系数基本不变，以消除浓度极化；③可以忽略的电子导电性，以保证电极间有效的隔离；④电极材料有高的化学和电化学稳定性；⑤低廉的价格，合适的化学组成，保证对环境友好。

由于固体聚合物电解质室温电导率较低，难于商品化。凝胶聚合物电解质通过固定在聚合物网络中的液体电解质分子实现离子传导，既有固体聚合物的稳定性，又有液态电解质的高离子传导率，显示出良好的应用前景。

将聚合物电解质与聚乙烯、聚丙烯膜一起组成聚合物锂离子电池隔膜，胶体聚合物覆盖或填充在微孔膜中，与无隔膜的聚合物电解质锂离子电池相比，具有更优越的性能，如：①内部短路时能提供更好的保护；②可以减少电解质层的厚度；③过度充电时可提供足够的安全性；④有较好的力学性能及热稳定性。可以看出，聚乙烯、聚丙烯膜由于其特殊的结构与性能，在离子电池隔膜中占有很重要的地位，除非有真正的不含液体的聚合物电解质出现。

分类

根据不同的物理、化学特性，锂电池隔膜材料可以分为：织造膜、非织造膜（无纺布）、微孔膜、复合膜、隔膜纸、碾压膜等几类。聚烯烃材料具有优异的力学性能、化学稳定性和相对廉价的特点，因此聚乙烯、聚丙烯等聚烯烃微孔膜在锂电池研究开发初期便被用作锂电池隔膜。尽管近年来有研究用其他材料制备锂电池隔膜，如采用相转化法以聚偏氟乙烯（PVDF）为本体聚合物制备锂电池隔膜，研究纤维素复合膜作为锂电池隔膜材料等。然而，至今商品化锂电池隔膜材料仍主要采用聚乙烯、聚丙烯微孔膜。

材料

市场化的隔膜材料主要是以聚乙烯（polyethylene，PE）、聚丙烯（polypropylene，PP）为主的聚烯烃（Polyolefin）类隔膜，其中PE 产品主要由湿法工艺制得，PP 产品主要由干法工艺制得。至于PE 和PP 这两种材料的特性。

总体而言：

①PP 相对更耐高温，PE 相对耐低温；

②PP 密度比PE 小；

③PP 熔点和闭孔温度比PE高；

④PP 制品比PE 脆；

⑤PE 对环境应力更敏感。

主要的隔膜材料产品有单层PP、单层PE、PP+陶瓷涂覆、PE+陶瓷涂覆、双层PP/PE、双层PP/PP 和三层PP/PE/PP 等，其中前两类产品主要用于3C 小电池领域，后几类产品主要用于动力锂电池领域。在动力锂电池用隔膜材料产品中，双层PP/PP 隔膜材料主要由中国企业生产，在中国大陆使用，这主要是因为还没有中国企业能将PP 与PE 制成双层复合膜的技术和能力。而全球汽车动力锂电池使用的隔膜以三层PP/PE/PP、双层PP/PE以及PP+陶瓷涂覆、PE+陶瓷涂覆等隔膜材料产品为主。

与此同时，其他一些新型隔膜材料产品也在不断涌现并开始实现应用，不过，因量少价高，主要还是用在动力锂电池制造领域。这些产品主要有：涂层处理的聚酯膜（PET，Polyethylene Terephthalate）、纤维素膜、聚酰亚胺膜（PI）、聚酰胺膜（PA），氨纶或芳纶膜等等。这些隔膜的优点是耐高温，且具有低温输出、充电循环寿命长、机械强度适中的特点。总的来看，锂电池隔膜材料产品呈现出明显的多样化发展趋势。

生产方法

锂电池隔膜的生产方法主要分为两种：

1、熔融拉伸法

制备原理是聚合物熔体在高应力场下结晶形成具有垂直于挤出方向而又平行排列的片晶结构，然后经过热处理得到所谓硬弹性材料。具有硬弹性的聚合物膜拉伸后片晶之间分离并出现大量微纤，由此而形成大量的微孔结构，再经过热定型即制得微孔膜。商品如美国的Celgard隔膜。

2、热致相分离法

热致相分离法是近年来发展起来的一种制备微孔膜的方法。它是利用高聚物与某些高沸点的小分子化合物在较高温度（一般高于聚合物的熔化温度）时形成均相溶液，降低温度又发生固-液或液- 液相分离，这样在富聚合物相中含有添加物相，而富添加物相中又含有聚合物相，拉伸后除去低分子物则可制成互相贯通的微孔膜材料。商品如日本的Tonen。

此外，Bellcore法、倒相法、静电纺丝法等方法是高性能隔膜的研究热点。

其他应用

过滤、隔膜泵、隔膜阀等。

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