锂电池隔膜研究

锂电池隔膜研究

罗继辉

广东利元亨智能装备股份有限公司 ：516003

摘要

当前，聚烯烃类（如聚乙烯、聚丙烯）作为锂离子电池的主体，然而，由于锂离子电池的能量密度的提高，其对隔膜的力学性能、热稳定性、孔径分布均一性、孔隙率等方面的性能指标提出了更高的要求，所以要研究出新的隔膜。本论文采用了一种新型的天然聚合物——纤维素作为隔膜的主体，通过共混和包覆等方法对其进行了表面修饰，从而得到了一种新型的用于锂离子电池的隔膜。该项目的实施，不仅能实现木质纤维原料的高效利用，还能为新型锂盐隔膜材料的开发提供理论依据，具有重要的理论价值和现实意义。

关键词：锂离子电池；纤维素材料；隔膜

引言

随着科学技术的迅速发展，各种电子产品为人们的生活带来了极大的便利，但与便携式电子设备高速发展所不匹配的是，电池技术的迭代已经难以满足人们的现实需求，为改善现有锂电池的种种缺陷，隔膜的应用是关键的一步。

1、锂离子电池

1.1离子电池基本工作原理

离子电池是一种二次电池系统，它使用两种不同的、能够可逆地插入和脱离锂离子的物质，用作电池的负极。在进行充电的时候，将锂离子从正极脱出，然后插入到负极的晶体中，这样可以维持电荷的平衡。在充放电的时候，电子会通过外电路转移，同时与其他的锂离子一起在负极之间转移，从而使正负极分别发生氧化反应和还原反应。

图1为锂电系统充电和放电的基本原理

1.2锂电池的优点

表1几种常见蓄电池的主要特性对比

从表1中，我们可以看到，在下列领域中，锂离子电池具有重要的优点：

（1）比能量大：目前为止，质量比能量高的二次电池。

(2)操作电压高：通常约为3.6伏，且某些高压物质可导致操作电压超过4伏。

(3)自放能力低：在第一次充电和放电之后，对电极进行了一定的钝化处理，从而避免了因长时间存放而引起的自放现象。

(4)具有较高的使用周期：在初始激活数次之后，电池的 Cullen效率达到100%，一般情况下，电池的使用周期在1000次以上。

(5)不会对环境产生影响：由于该蓄电池不含有任何毒性成分，同时该蓄电池处于密闭状态，因此不会产生任何影响。

近几年来，来离子电池受到了人们的普遍重视，并获得了飞速的发展，特别是成本低效益好锂离子电池，它的使用范围逐渐扩大，它不但在便携电器市场中逐渐替代了镍氢和镍镉等电池的市场，而且还渗透到电动汽车领域。

2、锂电池隔膜

2.1 用于锂离子电池膜片的基本条件

用于锂离子电池的隔板的需求，其基本内容如下：

(1)机械强度与热稳定性：机械强度与热稳定性对蓄电池的安全性有很大的关系，如果蓄电池的其中一块薄膜出现了裂纹，或是出现了热变形，那么就会造成蓄电池的正、负极间产生了摩擦，从而引起蓄电池的起火与爆炸。所以，隔板必须要有足够的力学和热学性能，才能确保电池在高温下不会因为变形而断裂。

(2)具有良好的化学稳定性，良好的电子绝缘性能：由于在充电和放电的时候，由于电极物质的氧化和还原，所以，隔膜必须具有耐化学侵蚀的性能，并且在一定的电压下，不会产生任何的副作用，也不会与电解质产生任何的反应，而且，在一定的电压下，隔膜不会受到任何的破坏。

(3)厚度：若隔离层过厚，则会使电池的内部电阻增大，从而降低了功率密度，但若隔离层过薄，则会使其力学性质下降，且极易引起安个问题，一般来讲，隔离层的厚度为2550微米

(4)孔结构：在隔膜中，要有足够的空间储存电解质，才能让钾离子在其中迅速通过，若隔膜多孔结构为贯穿式，则其多孔直径应比电极材料粒子的粒度要小，以免发生短路，若为交错状的多孔结构，则可避免负极之间的接触，减轻电池的自放电现象，且多孔的大小与数目影响了膜的透气性。

(5)浸润性、液吸率：良好的浸润性可使得在装配电池的时候，电解质可以迅速渗透到隔离层，缩短等待的时间，并且，较高的液吸率还可增加隔离层的离子传导率，从而改善电池的电化学特性，较高的液吸率及液吸率可增加电池使用时间。

（6）成本：在整体电池成本中，隔离层的成本约为25%，当前市场上使用的聚烯烃隔离层，其原料成本相对低廉，然而加工麻烦费用比较高。所以，如何以较少的原料及制作过程，制造出具有较好综合性能的锂离子电池隔膜，将是我们今后的工作方向。

2.2 锂离子电池隔膜的分类

按照组成可以分为以下几类：

（1）微孔聚合物膜

目前用于锂离子电池的微孔高分子薄膜都是使用聚烯烃类材料为基础的。

图2微孔聚合物隔膜

（2） 无纺布膜

无纺布膜是指将纤维按一定方向或任意方向排布而成的网络状结构，再通过物理或化学手段对其进行强化而得到的一种薄膜状结构。

图3无纺布隔膜

（3）无机粒子复合膜

亦称为“陶瓷薄膜”，是指在分隔层中添加少量的无机颗粒，或将其与高分子胶体结合制成的复合分隔层，该分隔层具有较大容量的分隔层，可有效地保留较多的电解质，改善其电化学特性。在高温条件下，陶瓷薄膜良好的尺度稳定，有利于提升其安全性；而无机颗粒良好的热传导特性，有利于迅速扩散能量；然而，在充放电中，由于无机颗粒的存在，其在充放电中极易发生脱落，从而降低了电池的整体性能；此外，过量的无机颗粒会降低了隔离层的力学强度，降低了隔离层的

质量。

图4无机粒子复合膜

2.3 隔膜的生产技术

在制造隔膜的过程中，可以将其划分为干法、湿法以及聚合物挤压成网。干法包括了熔融拉伸、化学粘合、热粘合、机械加固等几种方法。湿法制浆技术中的关键技术是：热诱导相分离技术、浆料制备技术；高分子挤压成型的方法有两种，一种是熔喷成型，另一种是静电纺成型。

2.4 改善隔膜性能的方法

当前，商用的隔膜在性能方面都有一些不足之处，例如，聚烯烃类隔膜的浸润性、尺寸稳定性和吸液性较低，而纤维素隔膜的强度较低，孔径较大，无机颗粒复合膜的无机颗粒易于从薄膜中脱离，所以，就必须采用物理和化学等手段来改善薄膜的性能，现在普遍采用的手段有如下三种：

(l)表面修饰

本方法的目的在于提高聚烯基隔膜的渗透性和液体吸收性能，并采用润湿剂或接枝亲水口胜基功能基团。其中，物理法是采用等离子体技术将氨基、羧基等亲水性官能团引入到隔膜中。化学法包括氟化、磺化、接枝聚合等，对聚烯烃类隔膜，采用辐射诱发或 UV光照产生聚合物自山葵素，之后再进行后续反应。

（2）表面聚合物包覆

本项目拟采用浸没、喷雾等手段在隔膜上覆盖聚氧乙烯、聚偏氟乙烯-六氟丙烯、聚偏氟乙烯等高分子，既可增强其对液体的吸附能力，又可增强其对液体的吸附能力，从而增强其对锂离子电池的电化学稳定性。

结束语

在此基础上，通过对非织造布与尼龙的复合来实现对非织造布的高强度、高强度和高稳定性的复合，从而实现了对非织造布与尼龙-纳米尼混合体系的复合。二是开展以NanoSIO2/PVA包覆法为基础的纤维素类锂盐隔膜材料的研制。

参考文献

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：罗继辉
出生年月：1992年10月16
性别：男
籍贯：江西省吉安市
学历：硕士
单位：广东利元亨智能装备股份有限公司；职称：机械工程师
研究方向：光伏