鋰離子電池作為“中國(guó)制造2025”的重點(diǎn)項(xiàng)目之一，提升其電池性能與安全性等是一個(gè)長(zhǎng)久的研究熱點(diǎn)，而通過(guò)設(shè)計(jì)制備高性能隔膜材料提高電池性能是一個(gè)重要的方法。

從結(jié)構(gòu)上看，鋰離子電池主要由正極材料、負(fù)極材料、電解液、隔膜以及電池外殼材料組成。隔膜是其中一個(gè)重要組成部分，在電池中隔離正負(fù)電極反應(yīng)，讓電解液中的陰陽(yáng)離子選擇性自由通過(guò)，進(jìn)而組成完整的電池通路。隔膜的性能在保證鋰離子電池的安全性和提高鋰離子電池性能等方面有直接影響。因此設(shè)計(jì)與制備良好的隔膜材料對(duì)于提高鋰離子電池容量、安全性等性能具有非常重要的作用。

隔膜的性能要求

鋰離子電池隔膜作為鋰離子電池四大主要材料之一，一般是絕緣性較好的材料，提供鋰離子在電解液中的遷移通道。隔膜的性能參數(shù)對(duì)電池性能影響重大，例如在常用的商用隔膜材料中，材料的厚度直接影響電池內(nèi)阻，孔隙大小和分布將會(huì)影響傳輸鋰離子性能等，因此制備高性能隔膜材料對(duì)于電池的性能發(fā)揮和實(shí)際應(yīng)用至關(guān)重要。影響鋰離子電池隔膜性能的主要因素包括隔膜化學(xué)穩(wěn)定性、力學(xué)強(qiáng)度、孔隙率大小及潤(rùn)濕性、安全保護(hù)的自關(guān)閉性能等幾個(gè)方面。

⑴力學(xué)強(qiáng)度

隔膜在電池結(jié)構(gòu)及充放電反應(yīng)過(guò)程中需要具有一定的機(jī)械強(qiáng)度。隔膜的一個(gè)重要作用是將正負(fù)極反應(yīng)隔開(kāi)，如果隔膜皺縮或破裂導(dǎo)致電解液滲透，就會(huì)發(fā)生電池短路，具有很大的安全隱患，因此隔膜需要有一定的力學(xué)強(qiáng)度和韌性。鋰離子電池在充電過(guò)程中鋰離子被還原生成金屬鋰枝晶，這就要求隔膜材料要有一定的抗穿刺強(qiáng)度。另外，隔膜材料也應(yīng)該具有一定的拉伸強(qiáng)度，鋰離子電池在反應(yīng)過(guò)程中會(huì)放出或吸收熱量，隔膜會(huì)發(fā)生相應(yīng)的漲縮，如果隔膜的拉伸強(qiáng)度不夠，就會(huì)造成隔膜破損，也會(huì)導(dǎo)致短路發(fā)生。

⑵熱極定性

由于鋰離子電池中電解質(zhì)溶液除了水溶劑，還會(huì)采用有機(jī)溶劑和非水電解液，因此隔膜應(yīng)具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和耐腐蝕性能，能夠在電池多次充放電過(guò)程中實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的完整性與反應(yīng)的穩(wěn)定性。此外，鋰離子電池在充放電反應(yīng)中會(huì)放熱，電池在連續(xù)工作時(shí)溫度會(huì)升高，隔膜的熱穩(wěn)定性能夠保證在電池長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)減少收縮形變量，避免電池皺縮導(dǎo)致的正負(fù)極接觸而導(dǎo)致電池短路。

⑶孔隙分布及孔隙率

隔膜為了保持鋰離子良好的透過(guò)能力，材料需要具備一定大小的孔隙，并保證低電阻和高離子傳導(dǎo)率。孔隙大小將影響電池內(nèi)阻及電池的安全性。孔隙太小會(huì)使離子穿透率減低而增大電池內(nèi)阻，孔隙過(guò)大則會(huì)導(dǎo)致電池正負(fù)極接觸概率增大易導(dǎo)致短路，起不到隔膜的效果。優(yōu)良的鋰離子電池隔膜應(yīng)保證孔隙大小合適、分布均勻，不然會(huì)導(dǎo)致局部電流過(guò)大或過(guò)小，影響電池性能。

⑷其他性能

此外，隔膜的自關(guān)閉技能在電池安全性方面至關(guān)重要。自關(guān)閉機(jī)理要求隔膜在過(guò)載大量放熱，溫度升高過(guò)高，接近材料熔點(diǎn)時(shí)隔膜結(jié)構(gòu)中孔隙閉合，成功隔絕離子穿梭，停止正負(fù)極反應(yīng)形成斷路，以在過(guò)熱情況下防止電池爆炸。隔膜的浸潤(rùn)性也是評(píng)價(jià)隔膜性能好壞的標(biāo)準(zhǔn)之一，為保證離子的順利傳輸，隔膜需要和電解液充分接觸，有良好的浸潤(rùn)性、與電解液的滲透能力和離子穿透能力。