新能源汽车必备知识点：锂离子动力电池隔膜是什么？

1万 · 2016-11-29 18:54

本帖最后由海中水于 2016-11-29 19:34 编辑

作为目前新能源汽车的主要动力来源，锂离子动力电池具有比能量和电压相对较高、工作温度范围较宽、无**效应、循环寿命相对较长等优点。从结构组成上看，锂离子动力电池主要由正极材料、负极材料、电解质、电池隔膜、封装材料等这五个部分组成。隔膜的功能和技术要求
电池隔膜是一类多孔隙薄膜，在吸收电池电解液后，可隔离正、负极以防止短路。同时给锂离子电池提供实现充放电功能、倍率性能的微孔通道，实现锂离子的传导。在电池过充或者温度变化较大时，隔膜通过闭孔来阻隔电流传导来防止爆炸。因此锂离子动力电池中的主要功能包含实现充放电和安全保障两个方面。
相比较消费类锂离子电池，锂离子动力电池在新能源汽车上使用时，需要提供更高的电压、更大的功率以及更多的电量。隔膜作为电池的关键零部件之一，隔膜性能的优势决定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。
影响隔膜的因素包括、厚度、空气渗透性、浸润性、孔结构和孔隙率、热稳定性和一致性等。隔膜对电池性能的一些影响如下表所示：

隔膜性质	电池性能	影响
厚度	电池容量	通过降低厚度提高电池容量
电阻	电池内阻、高倍率性能	隔膜电阻与隔膜的厚度、孔径分布、空隙率、孔的曲折度有关
氧化	高温充放电循环	循环性能因隔膜若发生氧化迅速衰退
闭孔	针刺、挤压	若由于外部针刺导致内部短路，隔膜将成为防止电池过热的最后一道安全保障
高温熔融	高热环境下短路	隔膜应在闭孔后仍旧隔断正、负极，避免内部短路
针孔和缺陷	自放电	针孔等缺陷会导致在电池组装和测试过程中微弱的放电现象

性能优异的隔膜对提高动力锂电池的综合性能有重要作用，因此对锂离子动力电池隔膜的使用提出了更高的要求：

(1)必须具备良好的绝缘性，以防止正负极接触短路或是被毛刺、颗粒、枝晶刺穿而出现的短路;(2)具有足够的穿刺强度、拉伸强度等，并在突发的高温条件下基本保持尺寸的稳定，不会熔缩导致电池的大面积短路和热失控;
(3)隔膜在厚度、透气、孔径分布等方面性能需要保持较高的均一性;
(4)能够耐受电解液腐蚀，有足够的化学和电化学稳定性;
(5)锂离子的迁移受隔膜材料和孔隙的影响，因此隔膜需要具有较高孔隙率且微孔分布均匀。
隔膜的种类
按照锂离子电池隔膜的结构特点，可将其分为聚烯烃微孔膜、无纺布制造膜以及涂层复合膜等种类：
(1)聚烯烃微孔膜：聚烯烃隔膜是目前最主流的动力锂离子电池隔膜，主要以聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)等为主。

材料	性质	优点	缺点
聚乙烯	熔点范围在110℃~130℃，高密度聚乙烯可以使得熔点提高	孔隙率、透气率和机械强度高	熔点比较低
聚丙烯	熔点范围在170℃左右，分子量大	材料强度高，可加工范围宽	在加热条件下容易氧化

虽然聚乙烯、聚丙烯微孔膜具有较高的孔隙率、较低的电阻、较高的抗撕裂强度、较好的抗酸碱能力、良好的弹性及对非质子溶剂的保持性能。但其耐热性能、吸电解液性能以及耐电化学氧化性能均相对较差，无法满足动力锂离子电池技术发展的要求。一般会对其进行改性处理以获取高性能的隔膜。其中方法之一就是在通过加入或者复合具有亲液性能、耐高温性能的特性材料，以获得性能更加优异的复合隔膜。
(2)无纺布基隔膜以及涂层复合膜：无纺布基隔膜按其材质分有PP无纺布、PET无纺布、纤维素类无纺布、PI无纺布等。这一类隔膜的优点是较高的耐高温性、在低温保持输出能力并且循环寿命长，机械性能适中的特点。
与聚烯烃型的隔膜相比，它的特点是呈现三维孔的结构。有研究认为该结构可有效避免因为针孔造成的短路现象，并有效提高保湿率。但是无纺布基隔膜的缺点比如孔径较大且分布不均匀限制了进一步的应用。因此通常对其进行改性处理，常用的方式有纳米颗粒改性无纺布隔膜、微孔涂层涂覆改性无纺布隔膜、静电纺丝隔膜。
聚烯烃隔膜和无纺布基隔膜均存在一定的缺点，因此通常采用转移涂布或浸渍的方式制作涂层复合隔膜来改变提高隔膜的性能。涂层复合膜根据涂层的成份不同可分为：有机涂层复合膜、四轴飞行器涂层复合膜、有机/四轴飞行器杂化涂层复合膜三种。
制备方法

(1)干法：

干法是将聚烯烃树脂熔融、挤压、吹制成结晶性高分子薄膜，经过结晶化热处理、退火后得到高度取向的多层结构，在高温下进一步拉伸，将结晶截面进行剥离，形成多孔结构。干法主要可分为熔融挤出/拉伸/热定型法、添加成核剂共挤出/拉伸/热固定法两类。

干法是常用的制备工艺，方法简单且无污染，但是孔径及孔隙率较难控制，拉伸比较小，隔膜不能太薄。干法的锂离子电池隔膜存在的主要问题是温度升高时隔膜易收缩甚至熔化，严重威胁到动力锂离子电池的安全。

(2)湿法：

湿法又称相分离法或热致相分离法，是近年来发展起来的一种常用的制备微孔膜的方法。热致相分离法是通过热塑性和结晶性聚合物和某些高沸点的小分子化合物(稀释剂)在较高温度时形成均相溶液。

在温度降低时发生固—液或液—液分离，脱除稀释剂后形成聚合物多孔膜。湿法可以较好的控制孔径及孔隙率，但湿法制备的设备要求精度高，投入大，生产成本和难度也要高于一般的薄膜制备技术。

(3)新型制备方法

辐射法是指高分子膜经电子线、γ射线等辐照，在离子通过的路径上由于高密度能量沉积使其周围原子电离和激发，导致聚合物分子的长链断裂、重排和产生自由基，在此区域内材料有较高的化学反应能力，可以通过化学试剂蚀刻形成孔洞。

另外，基于静电纺丝法的高能离子电池隔膜系统主要包括了喷丝头、高压发生器以及输液系和接丝系统，接丝系统和喷丝头相互作用而形成的高压静电场中，高分子溶液的流束被分割为若干细流，从而使溶剂挥发，并在接丝系统中形成纤维膜，具有良好的孔隙率与机械强度。

总结

在技术发展领域，隔膜已从单一的聚烯烃类材料向多种材料、复合材料的方向发展，从简单结构向复杂结构发展。对隔膜的研究目标是提高电池的安全性、保证电池功率性能的充分发挥。在锂电池向更高比能量体系发展的进程中，新型隔膜发展的机会将进一步显现。

2016年全球锂电池隔膜销量将达到18亿平方米，应用于动力电池隔膜比例将大幅上升。但国内的高端隔膜市场仍然以进口产品为主，锂电池隔膜由于投资风险大、技术门槛高，一直未能实现国内大规模生产，成为制约我国锂电池行业发展的瓶颈。