隔膜(化學名詞)

隔膜是電解反應時，用以將正負兩極分開防止在電解池中直接反應損失能量的一層薄膜。鋰電池的結構中，隔膜是關鍵的內層組件之一。隔膜的性能決定了電池的界面結構、內阻等，直接影響電池的容量、循環以及安全性能等特性，性能優異的隔膜對提高電池的綜合性能具有重要的作用。

基本介紹

• 中文名：隔膜
• 外文名：The diaphragm

電解池

將水電解槽水電解小室分隔為陰極區、陽極區，並使產生的氫氣、氧氣分隔，防止氫氣、氧氣互相穿透，但離子可遷移。

電池

電池是隔膜的一項最重要的套用：

主要是將電池正、負級板分隔開來,防止兩極接觸造成短路，並且能使電解質中的離子通過。

以鋰離子電池為例來說明隔膜的各項性能：

1、良好的化學穩定性---電解液為有機溶劑體系，隔膜材料不能與之發生化學反應或溶解；

2、較高的拉伸強度、穿刺強度以滿足纏繞組裝的要求；

3、較高的孔隙率以增大電流密度，孔徑分布均勻以避免電流密度不均勻造成局部過熱；

4、對電解液浸潤性好，吸液率高，有利於提高離子電導率；

5、具有較低的閉孔溫度和較高的破膜溫度，保證電池使用安全。

鋰電池隔膜關鍵技術

在鋰電池的結構中，隔膜是關鍵的內層組件之一。隔膜的性能決定了電池的界面結構、內阻等，直接影響電池的容量、循環以及安全性能等特性，性能優異的隔膜對提高電池的綜合性能具有重要的作用。 隔膜通俗點的描述就是一層多孔的塑膠薄膜，是鋰電材料中技術壁壘最高的一種高附加值材料，約占鋰電池成本的20%-30%。隔膜價格居高不下的主要原因是一些製作隔膜的關鍵技術被日本和美國所壟斷，國產隔膜特別是高端隔膜的指標還未達到國外產品的水平。 隔膜技術難點在於造孔的工程技術以及基體材料。其中造孔的工程技術包括隔膜造孔工藝、生產設備以及產品穩定性。基體材料包括聚丙烯、聚乙烯材料和添加劑。

條件

鋰電池隔膜的要求

一、具有電子絕緣性，保證正負極的機械隔離。

二、有一定的孔徑和孔隙率，保證低的電阻和高的離子電導率，對鋰離子有很好的透過性。

三、由於電解質的溶劑為強極性的有機化合物，隔膜必須耐電解液腐蝕，有足夠的化學和電化學穩定性。

四、對電解液的浸潤性好並具有足夠的吸液保濕能力。

五、具有足夠的力學性能，包括穿刺強度、拉伸強度等，但厚度儘可能小。

六、空間穩定性和平整性好。

七、熱穩定性和自動關斷保護性能好。動力電池對隔膜的要求更高，通常採用複合膜。

特性

現有主要隔膜產品的一般特性

鋰離子電池隔膜的主要性能要求有：厚度均勻性、力學性能（包括拉伸強度和抗穿刺強度）、透氣性能、理化性能（包括潤濕性、化學穩定性、熱穩定性、安全性）等四大性能指標。

性能

鋰離子電池的隔膜性能

隔膜位於正極和負極之間，主要作用是將正負極活性物質分隔開，防止兩極因接觸而短路；此外在電化學反應時，能保持必要的電解液，形成離子移動的通道。隔膜材質是不導電的，電池的種類不同，採用的隔膜也不同。對於鋰離子電池，由於電解液為有機溶劑體系，其隔膜要求具有以下性能。
① 在電池體系內，其化學穩定性要好，所用材料能耐有機溶劑。
② 機械強度大，使用壽命長。
③ 有機電解液的離子電導率比水溶液體系低，為了減少電阻，電極面積必須儘可能大，因此隔膜必須很薄。
④ 當電池體系發生異常時，溫度升高，為防止產生危險，在快速產熱溫度(120～140℃)開始時，熱塑性隔膜發生熔融，微孔關閉，變為絕緣體，防止電解質通過，從而達到遮斷電流的目的。
⑤ 從鋰電池的角度而言，要能被有機電解液充分浸漬，而且在反覆充放電過程中能保持高度浸漬。
電池中常用的隔膜材料一般是用纖維素或編織物、合成樹脂製得的多微孔膜。鋰離子電池一般採用高強度、薄膜化的聚烯烴系多孔膜，常用的隔膜有聚丙烯(PP)和聚乙烯(PE)微孔隔膜，以及丙烯與乙烯的共聚物、聚乙烯均聚物等。

鋰離子電池的廣泛套用

近年來，將聚合物電解質用於鋰離子電池已實現了商品化，聚合物電解質在鋰離子電池中既是離子遷移的通道，又起到正負極材料間的隔膜作用。聚合物電解質可分為固體聚合物電解質及凝膠聚合物電解質，作為實用的聚合物電解質隔膜必須滿足以下幾個必要條件：①具有高的離子電導率，以降低電池內阻；②鋰離子的傳遞係數基本不變，以消除濃度極化；③可以忽略的電子導電性，以保證電極間有效的隔離；④電極材料有高的化學和電化學穩定性；⑤低廉的價格，合適的化學組成，保證對環境友好。
由於固體聚合物電解質室溫電導率較低，難於商品化。凝膠聚合物電解質通過固定在聚合物網路中的液體電解質分子實現離子傳導，既有固體聚合物的穩定性，又有液態電解質的高離子傳導率，顯示出良好的套用前景。
將聚合物電解質與聚乙烯、聚丙烯膜一起組成聚合物鋰離子電池隔膜，膠體聚合物覆蓋或填充在微孔膜中，與無隔膜的聚合物電解質鋰離子電池相比，具有更優越的性能，如：①內部短路時能提供更好的保護；②可以減少電解質層的厚度；③過度充電時可提供足夠的安全性；④有較好的力學性能及熱穩定性。可以看出，聚乙烯、聚丙烯膜由於其特殊的結構與性能，在離子電池隔膜中占有很重要的地位，除非有真正的不含液體的聚合物電解質出現。

分類

根據不同的物理、化學特性，鋰電池隔膜材料可以分為：織造膜、非織造膜（無紡布）、微孔膜、複合膜、隔膜紙、碾壓膜等幾類。聚烯烴材料具有優異的力學性能、化學穩定性和相對廉價的特點，因此聚乙烯、聚丙烯等聚烯烴微孔膜在鋰電池研究開發初期便被用作鋰電池隔膜。儘管近年來有研究用其他材料製備鋰電池隔膜，如採用相轉化法以聚偏氟乙烯（PVDF）為本體聚合物製備鋰電池隔膜，研究纖維素複合膜作為鋰電池隔膜材料等。然而，至今商品化鋰電池隔膜材料仍主要採用聚乙烯、聚丙烯微孔膜。

材料

市場化的隔膜材料主要是以聚乙烯（polyethylene，PE）、聚丙烯（polypropylene，PP）為主的聚烯烴（Polyolefin）類隔膜，其中PE 產品主要由濕法工藝製得，PP 產品主要由乾法工藝製得。至於PE 和PP 這兩種材料的特性。

總體而言：

①PP 相對更耐高溫，PE 相對耐低溫；

②PP 密度比PE 小；

③PP 熔點和閉孔溫度比PE高；

④PP 製品比PE 脆；

⑤PE 對環境應力更敏感。

主要的隔膜材料產品有單層PP、單層PE、PP+陶瓷塗覆、PE+陶瓷塗覆、雙層PP/PE、雙層PP/PP 和三層PP/PE/PP 等，其中前兩類產品主要用於3C 小電池領域，後幾類產品主要用於動力鋰電池領域。在動力鋰電池用隔膜材料產品中，雙層PP/PP 隔膜材料主要由中國企業生產，在中國大陸使用，這主要是因為目前階段還沒有中國企業能將PP 與PE 製成雙層複合膜的技術和能力。而全球汽車動力鋰電池使用的隔膜以三層PP/PE/PP、雙層PP/PE以及PP+陶瓷塗覆、PE+陶瓷塗覆等隔膜材料產品為主。
與此同時，其他一些新型隔膜材料產品也在不斷湧現並開始實現套用，不過，因量少價高，主要還是用在動力鋰電池製造領域。這些產品主要有：塗層處理的聚酯膜（PET，Polyethylene Terephthalate）、纖維素膜、聚醯亞胺膜（PI）、聚醯胺膜（PA），氨綸或芳綸膜等等。這些隔膜的優點是耐高溫，且具有低溫輸出、充電循環壽命長、機械強度適中的特點。總的來看，鋰電池隔膜材料產品呈現出明顯的多樣化發展趨勢。

生產方法

目前鋰電池隔膜的生產方法主要分為兩種：

1、熔融拉伸法

製備原理是聚合物熔體在高應力場下結晶 形成具有垂直於擠出方向而又平行排列的片晶結構，然後經過熱處理得到所謂硬彈性材料。具有硬彈性的聚合物膜拉伸後片晶之間分離並出現大量微纖，由此而形成大量的微孔結構，再經過熱定型即製得微孔膜。商品如美國的Celgard隔膜。

2、熱致相分離法

熱致相分離法是近年來發展起來的一種製備微孔膜的方法。它是利用高聚物與某些高沸點的小分子化合物在較高溫度（ 一般高於聚合物的熔化溫度） 時形成均相溶液，降低溫度又發生固-液或液- 液相分離，這樣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，拉伸後除去低分子物則可製成互相貫通的微孔膜材料。商品如日本的Tonen。

此外，Bellcore法、倒相法、靜電紡絲法等方法是目前高性能隔膜的研究熱點。

其他套用

過濾、隔膜泵、隔膜閥等。