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?？紫洞笮⒂绊戨姵貎?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。負(fù)極作為其關(guān)鍵構(gòu)成成分之一，直接決定了鋰離子電池的性能，目前市場(chǎng)上主要采用石墨類負(fù)極材料。然而，石墨類負(fù)極的兩個(gè)致命缺陷：低能量密度(理論比容量 372mAh·g–1)和安全隱患(“析鋰”現(xiàn)象)令其無(wú)法適用于動(dòng)力電池。因此，尋找一種新型高容量、安全性好和長(zhǎng)循環(huán)的材料來(lái)替換石墨類負(fù)極材料成為動(dòng)力鋰離子電池進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵。

 

硅因其超高比容量(理論值4200mAh·g–1)、低嵌鋰電位(300%)，使活性材料粉化、電極內(nèi)電接觸失效以及新固相電解質(zhì)層SEI重復(fù)生成，最終導(dǎo)致循環(huán)性能迅速衰退。為改善硅負(fù)極循環(huán)穩(wěn)定性，研究者們做了各種改性。

 

近年來(lái)，一種已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化的工業(yè)原料硅氧化物(SiOx，0<x≤2)引起了人們的特別關(guān)注，最常見(jiàn)的如氧化亞硅(SiO，x≈1)，目前已經(jīng)開(kāi)始用于鋰離子電池負(fù)極材料并展現(xiàn)出巨大的潛力。SiOx與碳石墨類材料相比，具有較高的比容量，與Si單質(zhì)相比擁有良好的循環(huán)穩(wěn)定性。為此，近些年來(lái)研究者們對(duì)硅氧化物負(fù)極材料做了大量的研究工作。