锂电隔膜简介

  锂电池隔膜

  在锂电池的结构中，隔膜是关键的内部组件之一。隔膜的性能决定了电池的界面结构和内阻，直接影响电池的容量、循环和安全性能。性能优异的隔膜对提高电池的综合性能起着重要作用。隔膜的主要作用是分离电池的正负极，防止两极接触和短路。此外，它还具有通过电解质离子的功能。隔膜材料不导电，其物理化学性质对电池性能有很大影响。不同类型的电池使用不同的隔膜。对于锂电池系列，由于电解质是一种有机溶剂系统，因此需要具有耐有机溶剂的隔膜材料，一般采用高强度薄膜聚烯烃多孔膜。

  中文名

  锂电池隔膜

  外文名

  Li-ion Battery Seperator

  类型

  隔膜

  地位

  关键内部组件之一

  要求

  电子绝缘性

  条件

  锂电池隔膜的要求

  一、电子绝缘，保证正负极的机械隔离。

  二、具有一定的孔径和孔隙率，保证低电阻和高离子电导率，对锂离子具有良好的渗透性。

  三、由于电解质溶剂是强极性有机化合物，隔膜必须耐电解质腐蚀，具有足够的化学和电化学稳定性。

  四、电解液渗透性好，吸液保湿能力充足。

  5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。

  7、具有良好的热稳定性和自动关节保护性。动力电池对隔膜的要求较高，通常采用复合膜。

  特性

  锂离子电池隔膜的主要性能要求包括四个性能指标：厚度均匀性、机械性能（包括拉伸强度和抗穿刺强度）、透气性、理化性能（包括润湿性、化学稳定性、热稳定性和安全性）。

  现有主要隔膜产品的一般特点

  性能

  锂离子电池的隔膜性能

  隔膜位于正负极之间，主要作用是分离正负极活性物质，防止接触短路，保持必要的电解质，形成离子移动通道。隔膜材料不导电，电池类型不同，隔膜也不同。对于锂离子电池，由于电解质是一个有机溶剂系统，其隔膜需要以下性能。

  ① 在电池系统中，其化学稳定性好，所用材料能耐有机溶剂。

  ② 机械强度高，使用寿命长。

  ③ 有机电解液的离子电导率低于水溶液系统。为了降低电阻，电极面积必须尽可能大，因此隔膜必须非常薄。

  ④ 当电池系统异常时，温度升高，在快速加热温度(120~140℃)一开始，热塑性隔膜熔化，微孔关闭，变成绝缘体，防止电解质通过，从而达到遮挡电流的目的。

  ⑤ 从锂电池的角度来看，应充分浸泡在有机电解质中，并在反复充放电过程中保持高度浸泡。

  电池中常用的隔膜材料通常是由纤维素或织物和合成树脂制成的多微孔膜。锂离子电池一般采用高强度、薄膜化的聚烯烃多孔膜，常用的隔膜有聚丙烯(PP)和聚乙烯(PE)微孔隔膜、丙烯与乙烯共聚物、聚乙烯均聚物等。

  锂离子电池的广泛应用

  近年来，锂离子电池中使用聚合物电解质已商业化。聚合物电解质不仅是锂离子电池中离子迁移的通道，而且在正负极材料之间起着隔膜的作用。聚合物电解质可分为固体聚合物电解质和凝胶聚合物电解质。作为一种实用的聚合物电解质隔膜，必须满足以下必要条件：①为了降低电池内阻，离子电导率高；②锂离子的传递系数基本不变，以消除浓度极化；③为了保证电极之间的有效隔离，可以忽略电子导电性；④化学和电化学稳定性高的电极材料；⑤价格低廉，化学成分合适，对环境友好。

  由于固体聚合物电解质室温电导率低，难以商业化。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，具有固体聚合物的稳定性和液体电解质的高离子传导率，具有良好的应用前景。

  聚合物电解质与聚乙烯和聚丙烯膜一起形成聚合物锂离子电池隔膜。与无隔膜的聚合物电解质锂离子电池相比，胶体聚合物覆盖或填充在微孔膜中具有更好的性能，如：①内短路可提供更好的保护；②可降低电解质层厚度；③过度充电可提供足够的安全性；④具有良好的机械性能和热稳定性。可以看出，由于其特殊的结构和性能，聚乙烯和聚丙烯膜在离子电池隔膜中起着非常重要的作用，除非有真正的聚合物电解质不含液体。

  分类

  锂电池隔膜材料根据不同的物理化学特性可分为织造膜、非织造膜(无纺布)、微孔膜、复合膜、隔膜纸、碾压膜等。聚烯烃材料具有优异的机械性能、化学稳定性和相对便宜性，因此聚乙烯、聚丙烯等聚烯烃微孔膜在锂电池研发初期被用作锂电池隔膜。虽然近年来有研究用其他材料制备锂电池隔膜，如聚偏氟乙烯（PVDF）锂电池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。然而，聚乙烯和聚丙烯微孔膜仍主要用于商用锂电池隔膜材料。

  材料

  市场化的隔膜材料主要是以聚乙烯（polyethylene，PE）、聚丙烯（polypropylene，PP）主聚烯烃（Polyolefin）其中类隔膜PE 产品主要由湿法制成，PP 产品主要由干法制成。PE 和PP 这两种材料的特性。

  总体而言：

  ①PP 相对较耐高温，PE 相对耐低温；

  ②PP 密度比PE 小；

  ③PP 熔点与闭孔温度比PE高；

  ④PP 制品比PE 脆；

  ⑤PE 对环境应力更敏感。

  主要隔膜材料产品为单层PP、单层PE、PP 陶瓷涂层，PE 陶瓷涂层，双层PP/PE、双层PP/PP 和三层PP/PE/PP 等3C 小电池领域，后几种产品主要用于动力锂电池领域。在动力锂电池隔膜材料产品中，双层PP/PP 隔膜材料主要由中国企业生产，在中国大陆使用，主要是因为目前还没有中国企业能够生产PP 与PE 制作双层复合膜的技术和能力。全球汽车动力锂电池采用三层隔膜PP/PE/PP、双层PP/PE以及PP 陶瓷涂层，PE 陶瓷涂料等隔膜材料产品为主。

  与此同时，其他一些新的隔膜材料产品也在出现并开始应用，但由于数量少，价格高，主要用于动力锂电池制造领域。这些产品主要包括：涂层聚酯膜（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。

  发展

  日本和美国是世界上锂电池隔膜行业最发达的国家。据真锂研究不完全统计，2011年全球锂电池隔膜销量约为3.58 亿m2，日本隔膜材料产销量最大，2011 年销量约为2.41 亿m2，全球市场份额超过一半，高达52.62%。

  主要国家和地区的隔膜销量占比图

  2011 年，韩国企业销售约3600万台锂离子电池隔膜m2，占全球7.86%。其他地区主要指欧洲和中国台湾，目前销量普遍较小。LITARION?镍钴锰酸锂材料(俗称三元材料)和能大大提高动力锂电池的能效和安全性能SEPARION?陶瓷电池隔膜已广泛应用于电动汽车。此外，英国还在积极开发锂电池隔膜材料。

  由于隔膜性能直接影响电池内阻、放电容量、回收寿命和电池使用安全性能，锂电池制造对隔膜材料产品的一致性要求很高，除了厚度、表面密度、力学性能等基本要求外，对隔膜微孔的尺寸和分布的均匀性也有很高的要求。因此，鉴于技术难度，隔膜材料是中国唯一一种还没有实现自给自足的锂电池关键材料。然而，自2004 年首次实现隔膜材料定位以来，我国隔膜材料行业发展迅速，国内隔膜在中低端市场迅速大规模取代进口产品。

  据真锂研究统计，2011年，中国企业实现隔膜销售约6700万 m2，全球市场份额14.63%，位居世界第三。同年，中国本土企业锂电池销量占全球25%。据此计算，2011年中国本土锂电池企业对隔膜的需求约为1.145 亿m2，这样，2011年中国隔膜的自给率已经超过一半，达到了一半58.52%远高于大多数研究机构提供的数据。随着这种速度的发展，中国的隔膜材料将在几年内实现自给自足。此外，一些日本和韩国著名的锂离子电池企业正在考虑购买中国企业生产的隔膜材料产品，这在一定程度上表明，中国企业的隔膜产业化技术已经达到了相当高的水平。

  主要企业隔膜销售比例图

  政策

  十一五期间，中央政府将投资6000万元开发锂电池，同时按10倍比例投资配套资金，总投资6亿元。

  20062000年9月14日，财政部等五部委联合发布了《关于调整部分商品出口退税率、增加加工贸易禁止商品目录的通知》。根据通知，取消铅酸电池和电池的出口退税政策；锂电池出口退税的13%提高到17%。

  锂电池隔膜属于国家鼓励发展的电池配套材料，符合国家《高科技产业化重点领域优先发展指南》（2006-20202008年国家863计划将低成本锂电池隔膜关键技术研究列为重点产业化导向项目。