鋰電池隔膜作為鋰離子電池的重要組成部分，起著什么作用？
來源：寶鄂實業(yè)
2019-05-12 19:27
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剛加入電池行業(yè)的時候，電池基礎(chǔ)培訓(xùn)里面有一個介紹，電池的主要部分，正極，負(fù)極，電解質(zhì)，隔膜，殼體五個部分組成，其中，鋰電池隔膜作為鋰離子電池的重要組成部分，起著分隔正、負(fù)極，防止電池內(nèi)部短路，允許電解質(zhì)離子自由通過，完成電化學(xué)充放電過程的作用。其性能決定了電池的界面結(jié)構(gòu)、內(nèi)阻等，直接影響電池的容量、循環(huán)性能以及安全性能等特性，性能優(yōu)異的隔膜對提高電池的綜合性能具有重要的作用，被業(yè)界稱為電池的“第三電極”。
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雖然全固態(tài)電池很火，因其較高的安全性能，高的能量密度在動力電池技術(shù)路線中，作為下一代電池的呼聲很高。如果實現(xiàn)固態(tài)電池，可能對隔膜行業(yè)是一個巨大的打擊。但就目前的現(xiàn)狀，要徹底實現(xiàn)商業(yè)化還有一段時間，況且，隔膜是否會因此消失，還很難定論，畢竟作為梯次利用，儲能或者啟停電源，還是更多考慮電池成本。
1、概述
隔膜（Seperator），顧名思義，起著分離正極、負(fù)極片的功能，避免電池正負(fù)極片直接接觸短路，又能起著離子傳導(dǎo)、絕緣的功能。隨著現(xiàn)在電池技術(shù)的進(jìn)展，對隔膜的要求也越來越高。作為隔膜，需要滿足的基本功能有：
(1)具有電子絕緣性，保證正負(fù)極的機(jī)械隔離；
(2)有一定的孔徑和孔隙率，保證低的電阻和高的離子電導(dǎo)率，對鋰離子有很好的透過性；
(3)耐電解液腐蝕，有足夠的化學(xué)和電化學(xué)穩(wěn)定性，這是由于電解質(zhì)的溶劑為強(qiáng)極性的有機(jī)化合物；
(4)具有良好的電解液的浸潤性，并且吸液保濕能力強(qiáng)；
(5)力學(xué)穩(wěn)定性高，包括穿刺強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度等，但厚度盡可能??；
(6)空間穩(wěn)定性和平整性好；
(7)熱穩(wěn)定性和自動關(guān)斷保護(hù)性能好；
(8)受熱收縮率小，否則會引起短路，引發(fā)電池?zé)崾Э亍?/div>
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常用的鋰電池隔膜大約十余微米，我們常說的復(fù)合涂膠陶瓷隔膜，就是基膜加上涂膠層，加上陶瓷層，基膜為PE和PP的復(fù)合層，涂膠層則是讓極片和隔膜貼合的更好，陶瓷層則是讓其具有更加良好的剛性，耐收縮。
2、制作工藝
隔膜的制作工藝主要分為濕法和干法，干法又有單向拉伸和雙向拉伸。在說這個干法和濕法之前，咱們先說說這個PP和PE，干法更多的生產(chǎn)PP隔膜，濕法則是PE隔膜。
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PP相對于PP更耐高溫，PE相對耐低溫；PP的密度比PE小、熔點和閉孔溫度比PE高；PP制品相對于PE制品更脆；PE相對于環(huán)境應(yīng)力更敏感。正因為他們各自的特性，在現(xiàn)有隔膜生產(chǎn)中，我們采用PP、PE復(fù)合隔膜，來實現(xiàn)最佳的功能。
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2.1 干法制作
干法與濕法有所不同，主要采用流延的方式，再配合拉伸形成，干法里面又分為單向拉伸和雙向拉伸。
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2.1.1 干法單向拉伸
單向拉伸比較簡單，主要的工藝是配料投料、流延、熱處理、拉伸、分切。是通過對晶片的拉伸，設(shè)備相對復(fù)雜，精度要求較高，投資較大，控制的難度較大，對環(huán)境友好。
單向拉伸特點有微孔尺寸、分布均勻、產(chǎn)品橫向熱收縮差，能生產(chǎn)不同厚度的產(chǎn)品。主要的廠家有celgard、星源科技。
2.1.2 干法雙向拉伸
雙向拉伸的工藝主要分為投料、流延、縱向拉伸、橫向拉伸、定型收卷。
投料：將PP以及成孔添加劑等原料按配方處理后輸送至擠出系統(tǒng)。
流延：得到β晶含量高、β晶形態(tài)均一性好的PP流延鑄片。
縱向拉伸：利用β晶受拉伸應(yīng)力易成孔的特殊性來成孔。
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橫向拉伸：在較高的溫度下，進(jìn)行橫向拉伸，一方面未來擴(kuò)孔，另一方面為了提高孔隙尺寸分布的均一性。
定型收卷：進(jìn)行熱處理，降低其熱收縮率，提高尺寸穩(wěn)定性。
雙向拉伸是通過對晶形的轉(zhuǎn)換，設(shè)備較為復(fù)雜，投資較大，且需要成孔劑協(xié)助。產(chǎn)品特點有微孔尺寸、分布均勻、透氣性好、穩(wěn)定性差、現(xiàn)只能生產(chǎn)出較厚的PP膜。
2.2 濕法制作
濕法制作，又稱為相分離法或者熱致相分離，如非專業(yè)制作人士，不懂也沒關(guān)系。采用雙向拉伸，目前高端產(chǎn)品中以濕法為主，中低端以干法為主。
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制作的工藝主要有混煉、成形、延伸、抽出、干燥熱處理、卷取分切。該法微孔尺寸小，分布均勻，適應(yīng)生產(chǎn)較薄的產(chǎn)品，只能生產(chǎn)PE膜。
濕法生產(chǎn)的企業(yè)較多，國外的有日本東麗、韓國Master，國內(nèi)有青島中科華聯(lián)等。
通過對比濕法和干法，我們會得到，干法工藝孔徑較小，孔徑均勻性差、拉伸強(qiáng)度均勻性差、橫向拉伸強(qiáng)度低、橫向收縮率低、刺穿強(qiáng)度低。而濕法隔膜孔徑小，孔徑均勻性好、拉伸強(qiáng)度均勻性好、橫向拉伸強(qiáng)度高、橫向收縮率較高、刺穿強(qiáng)度高。
4、性能參數(shù)
隔膜有以下六個主要性能參數(shù)，孔徑大小及分布、孔隙率、透氣率、自動關(guān)閉機(jī)理、熱穩(wěn)定性、力學(xué)強(qiáng)度。
孔徑大小及分布，主要與制備工藝有關(guān)，影響隔膜的透過能力，不通暢的孔徑會使鋰離子形成枝晶刺穿隔膜，分布不均勻?qū)е码姵貎?nèi)部電流密度不一致。
孔隙率，是孔的體積和隔膜體積的比值，一般的隔膜孔隙率在35%-60%之間。
透氣率，與電池的內(nèi)阻成正比，數(shù)值越大，內(nèi)阻越大。
自動關(guān)閉機(jī)理，是隔膜的一種安全保護(hù)性能，限制溫度升高和防止短路，安全窗口溫度越高越好，電池安全性越高，與隔膜的原材料和隔膜結(jié)構(gòu)有關(guān)。（ps:拆解電池的時候可以查看隔膜狀態(tài)如果不是白色，呈現(xiàn)透明，則隔膜閉孔）
熱穩(wěn)定性和力學(xué)強(qiáng)度，熱穩(wěn)定性主要是隔膜受熱時尺寸的穩(wěn)定性，力學(xué)強(qiáng)度是對隔膜抗刺穿強(qiáng)度的要求。
5、市場現(xiàn)狀
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現(xiàn)在對電池的能量密度要求越來越高，高端隔膜任然供不應(yīng)求，我國的隔膜進(jìn)口率在30%左右。整體市場來看，日本旭化成、東燃化學(xué)、韓國SK等一些主要的隔膜企業(yè)占據(jù)了全球約50%的市場。我國星源材質(zhì)、滄州明珠、鴻圖隔膜等隔膜企業(yè)也在加大隔膜的生產(chǎn)和技術(shù)研發(fā)，相信在不久的將來，我們能夠?qū)崿F(xiàn)全部國產(chǎn)化。
