电动汽车―锂离子电池隔膜最新技术进展

摘 要：电动汽车是指以车载电源为动力，用电机驱动车轮行驶的汽车。由于它本身不排放污染气体到大气中，即使按照所耗费的电能换算成发电厂的排放，其排放也远远低于目前的汽油汽车排放。目前电动汽车的车载来源是动力电池，主要有铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池等。由于锂离子电池具有能量密度高、充放电循环使用性能优越、无记忆效应和以及电池中的化学物质对地球环境友好等特点，已逐步替代传统铅酸电池、镉镍电池和镍氢电池， 成为动力电池的首要选择。

关键词：EV锂离子电池隔膜；技术要求；主要研制方法；发展展望

中图分类号：TP 文献标识码：A

电池隔膜是锂离子电池的重要组成部分，被认为是电池的"第三电极"， 置于电池正负两极之间，起着阻隔正负极接触允许电解液中的离子自由通过的作用，是锂离子电池的核心部件。目前市场化的锂离子电池隔膜主要是以聚乙烯、聚丙烯为主的聚烯烃隔膜，包括单层PE、单层PP，三层PP/PE/PP复合膜，而从制法区分，又可分为干法和湿法两种制成方式。虽然目前锂离子电池隔膜的产品质量已经有了按明显的提高，但汽车用锂离子电池已经对隔膜提出了更高的要求：更高的透过性，更好的耐热性，优秀的力学性能等，这些问题关系着隔膜的品质高低，直接影响着锂离子电池的健康发展。

1 EV锂离子电池隔膜的技术要求

在现有的车用锂离子电池中，由于单个单体电池的容量还不够大，所以人们提出了电池组的概念：将几十个单体电池进行串联或者并联，从而到达汽车所需的容量和功率。然而，电池组概念的设计使锂离子电池的安全等性能受到严重挑战，因此动力锂离子电池厂家对电池隔膜提出了越来越高的要求。

动力锂离子电池对隔膜的性能要求如下：

1.1 化学稳定性。隔膜材料在电解液中必须具有良好的稳定性，耐强酸、强碱、电极活性物质的腐蚀，不与电池中的物质发生化学反应。

1.2 厚度均匀性。厚度均匀性是各种类型的锂离子电池隔膜都必须追求的重要质量指标，厚度均匀性差的隔膜弓形、飘较为严重，影响电池厂家的电芯卷绕，同时不良的电芯卷绕给电池带来安全隐患，一般要求控制在±3微米以内。

1.3 离子透过性能。隔膜材料必须具有良好的离子通过性能，表现在具有较高的透气度和孔隙率，均匀的孔径分布，合适的孔尺寸。透气度越好，意味着隔膜材料中导通孔越多，离子传导性能就较好，隔膜内阻就小。孔隙率与透气度有一定关系，一般孔隙率越高，透气度也就越好，电池的充放电性能也越好。但并不是孔隙率或透气度越高越好，因为孔隙率太高隔膜易收缩与软化， 力学性能不足，对电池的安全不利。孔径分布要求越均匀越好，均一的孔径有助于避免大功率放电时电流的不对称导致电极性能的衰减。孔尺寸太大，电流的遮断性能不好，在热的作用下起不到很快关闭电流的作用。

隔膜在电解液中的吸液性能对离子的透过性能影响显著，这里有两个技术指标：吸液速率和吸液量。充足的吸液量有助于隔膜降低内阻，提高离子投过性能，快速的吸液速率有助于提高电池的充放电速率。

1.4 机械性能。隔膜的机械性能主要指隔膜的拉伸强度和穿刺强度。通常锂电池电芯的卷绕需要隔膜具有一定的拉伸强度，一般要求在100Mpa以上。穿刺强度是指使用专用试验针刺穿薄膜时所需的力，穿刺性能的好坏关系着电池发生短路的几率。在锂离子电池充放电过程中会有部分金属锂离子被还原并在负极处析出，形成锂枝晶，而这种枝晶会刺穿隔膜导致正负极材料接触而发生电池短路。所以，隔膜的穿刺强度是电池安全性的一个重要指标，一般要求穿刺强度在400g以上。

1.5 耐热性能。由于锂离子电池在使用过程中会有较多的热能放出，尤其在短路或者过充电的时候释放的热量会更多，所以通常需要隔膜在高温时具有较好的尺寸稳定性，防止因隔膜的热收缩而使电芯中的正负极接触而发生短路。另外，隔膜还要具有较低的闭孔温度和较高的破膜温度，为锂离子电池提供额外的安全保护。闭孔温度是指隔膜微孔闭合时的温度，当电池放生短路时会产生大量的热，温度达到聚烯烃隔膜熔点附近时，高分子链的无规则迁移将关闭微孔，从而遮断内部电流起到安全防护作用。破膜温度是指电池内部温度进一步上升，达到隔膜破裂电池短路的温度。所以为了提高电池的安全性一般要求破膜温度要尽量高，与闭孔温度的温度差越大越好，动力电池隔膜一般要求破膜温度在170℃以上。

2 国内外汽车用锂离子电池隔膜的主要研制方法

目前市场上的聚烯烃隔膜耐热性不足，在高于聚合物熔点10-20℃即发生熔融破裂，在170℃发生非常严重的收缩，很难应用于汽车用动力锂离子电池中。所以目前国外普遍研究的课题是通过各种技术手段提高隔膜的耐热性能，以下是目前主要采用的研究方法。

2.1 涂层技术。涂层技术是指以聚烯烃隔膜做为基膜，在其表面涂覆一层或几层耐热材料而制备的微孔膜。基膜要求具有较低的闭孔温度，聚乙烯隔膜以其优越的电流关闭性能成为首选；又由于在聚烯烃隔膜表面涂覆耐热材料时很难避免不堵塞隔膜的微孔，所以选用的聚乙烯隔膜通常要具有很好的孔径分布和孔隙率。耐热材料通常选用无机物或者无机物与有机物的混合物，可以选用的无机材料有SiO2、Al2O3、MgO等。

在国外，日立麦克赛尔公司利用其磁带制造等方面积累的技术，在聚烯烃微孔膜表面涂布板状的无机粒子，用来研制动力电池隔膜。日本帝人公司利用其芳纶纤维方面的技术优势，将氧化铝和芳纶纤维混合溶解后制成浆料涂覆在聚乙烯隔膜表面，具有很好的耐高温性能。

2.2 湿法共混技术。湿法共混技术是目前技术难度较高的一种电池隔膜制备技术，主要是在湿法聚乙烯配方体系中混入无机粒子，然后通过双螺杆挤出机熔融挤出、流延铸片、拉伸成膜、萃取干燥等工艺，从而制得耐高温锂离子电池隔膜。该技术的难点是物料体系在双螺杆挤出机中的熔融混合，螺纹组合的排布对塑化效果影响显著。在此领域比较有代表性的公司有日本旭化成和东燃化学，但由于这些隔膜价格高昂，目前国内很少有厂家使用。

2.3 干法多层技术。干法多层技术即指目前市场上使用较广的干法PP/PE/PP三层隔膜，该技术目前被美国Celgard、日本宇部所垄断，国内短时间很难形成突破。由于此类隔膜的耐热性能仅靠外层的聚丙烯来提供，而聚丙烯的熔点只有160℃左右，所以该类隔膜不能保证170℃以上的熔破温度。

2.4 Separion隔膜。德国Degussa公司结合无纺布的柔性和无机物良好热稳定性的特点，在纤维素无纺布上复合Al2O3 或其他无机物，形成了Separion隔膜的产业化。该隔膜熔融温度可达到230℃，在200℃下不会发生热收缩，具有较高的热稳定性。

2.5 静电纺丝。以静电纺丝技术制备非织造布膜是近年来最新的研究方法。静电纺丝主要以耐热材料PVDF做为基体，所制得的纤维最主要的特点是纤维直径很细，具有高的比表面积，且所得亚微米级纤维堆积而成的层状膜具有较高的孔隙率和优异的离子电导率。中科院理化技术研究所、清华大学等都做了大量的工作并申请了专利，但还没有关于产业化的信息。

3 关于汽车用锂离子电池隔膜的发展展望

汽车用锂离子电池隔膜的发展主要是随着汽车用锂离子电池的市场变化而发展的。从目前的发展现状来看，汽车用锂离子电池发展的步骤是：高安全低成本高功率。高安全要求隔膜具有较高的力学强度、良好的热尺寸稳定性、合适的闭孔温度和较高的破膜温度；低成本要求隔膜具有较低的厚度，较为广泛的国产化；高功率要求隔膜具有高孔隙率、良好的浸润性，这有助于提高电池的使用性能。

电动汽车的健康发展离不开汽车电池的高度安全，充满安全隐患的电动汽车在市场上将无人问津，其大规模的产业化更无从谈起。随着电池技术的进步，当安全得到了有效保障，新能源汽车高昂的价格依然会让广大消费者望而却步，尽管目前还可以依赖政府的补贴，但最终电动汽车市场必须依赖产业的自我救赎，所以，降低成本就是刻不容缓的重要任务。

参考文献

[1]赵新兵，谢健.新型锂离子电池正极材料LiFePO_4的研究进展[J].机械工程学报，2007-01-15.