2020年，全球鋰離子電池隔膜出貨62.8億平米，中國出貨38.7億平米，占比61.6%。而隔膜，占據(jù)電池成本的將近30%，這是一個群雄逐鹿的激烈戰(zhàn)場。
鋰離子電池隔膜在鋰離子電池中扮演著極為關鍵的角色，被稱為“第三電極”。隔膜材料作為鋰離子動力電池的4大關鍵材料（正極材料，負極材料，電解液，隔膜材料）之一，受到了行業(yè)人員的格外關注。隔膜的結構和性能直接影響鋰離子電池的能量密度、充放電倍率、使用壽命以及安全性等性能。目前產(chǎn)業(yè)化的隔膜主要以聚烯烴材料為基膜、通過干法和濕法工藝生產(chǎn)而成。國內(nèi)隔膜企業(yè)在同時兼顧厚度、孔隙率的一致性、破膜溫度、閉孔溫度等各項性能的技術和制造水平上，與國際水平還有一定差距，但是憑借著技術的快速進步、對市場的把握和成本的控制，目前中國已占到全球隔膜市場份額的60%以上。那么，鋰離子電池隔膜的性能要求是什么？用到了哪些高分子材料？有哪些工藝？現(xiàn)狀和未來趨勢如何呢？鋰離子電池隔膜置于鋰電池正負極材料之間，起到阻隔正負兩極、避免短路、允許電解液中離子自由通過的作用。電池的安全性能是否良好、壽命長短和能源的可持續(xù)性儲存與鋰離子電池隔膜有很大相關性。隔膜的各項性能要求及作用要求和作用見下表，如何能兼顧各項性能的要求是隔膜設計和開發(fā)的難點。| 性能 | 項目 | 要求 | 作用 |
| 安全性 | 穿刺強度 | 足夠的穿刺強度，一般≥400 gf | 防止鋰枝晶，極片毛刺等刺穿隔膜造成電池短路 |
| 破膜溫度 | 盡可能高的溫度，140℃－180 ℃ | 防止隔膜熔化造成電池內(nèi)部短路 |
| 閉孔溫度 | 高于電池正常使用溫度，低于基膜材料的熔融溫度 | 在電池過熱的情況下阻隔離子運動，避免電池過熱燃燒 |
| 電容量性 | 厚度 | 在保持一定機械強度下，厚度盡可能小，一般為4μm－25μm | 減小內(nèi)阻，提高電池能量密度和功率密度 |
| 孔徑 | 保證在良好透過性的情況下滿足不同電池的性能要求，0.02μm － 0.3μm | 保證較低的電阻和較高的離子導電性，提高能量密度和充放電倍率 |
| 孔隙率 | 保證在一定孔徑的情況下孔隙率盡可能大， |
| 濕潤性 | 電解液能快速浸潤隔膜的能力，確保隔膜表面吸收一定量的電解液使其能順利透過隔膜 |
| 理化穩(wěn)定性 | 拉伸強度 | 確保電池需要承受的拉伸強度，≥110 MPa | 防止隔膜在正常使用條件下的變形 |
| 斷裂伸長率 | 足夠的抵抗變形能力 |
| 熱收縮率 | 受熱條件下的尺寸穩(wěn)定性，如105℃，1小時，≤5% |
| 電子絕緣性 | 較小的介電常數(shù)和介電損耗因數(shù) | 防止電池短路，減小內(nèi)阻 |
| 化學穩(wěn)定性 | 足夠的化學穩(wěn)定性，不與電解液發(fā)生化學反應 | 耐電解液腐蝕，保證隔膜壽命 |
2. 鋰離子電池隔膜用的高分子材料和生產(chǎn)工藝目前市場主流的鋰離子電池隔膜有PE、PP和 PP/PE復合隔膜，常用干法單向拉伸、干法雙向拉伸、濕法工藝進行生產(chǎn)，這幾種隔膜的主要區(qū)別在于微孔的成孔機理不同。隨著鋰離子動力電池對能力密度、充放電倍率和安全性等性能提出了更高要求，逐步發(fā)展出涂覆復合隔膜、PET無紡布隔膜和PI納米隔膜等多種新型隔膜。聚烯烴隔膜是指以PE、PP為基材生產(chǎn)的PE或PP單層、PE/PP雙層和PP/PE/PP三層隔膜。由于PE、PP材料具有化學性能穩(wěn)定、工藝成熟和成本優(yōu)勢，最早成為了鋰離子動力電池的隔膜材料。
美國Celgard、日本 UBE( 宇部) 等國外公司首先通過干法工藝開發(fā)了PE、PP 單層隔膜,國內(nèi)最早由中科院開發(fā)了在聚丙烯材料中摻入具備成核成分的β晶型改進劑，通過雙向拉伸工藝技術制備了透氣性好、滲透性吸收性高的PP隔膜。為了提高隔膜的電容量、閉孔溫度、膜厚均一性，美國Entek公司、日本旭化成開發(fā)了濕法工藝，采用濕法工藝制造薄膜，其雙向拉伸性能都相同，薄膜成品的橫向拉伸強度比干法要高。此外，這種制備方式對材料的要求不是太高，后期制成的產(chǎn)品能使鋰離子電池性能顯著提升。以兼具低閉孔溫度和高破膜溫度為開發(fā)目標，美國Celgard 公司提出要開發(fā)薄膜兼具濕法工藝的低閉孔溫度和干法工藝的高熔點，研制出PP/PE/PP多層的鋰離子電池隔膜。目前國內(nèi)上海恩捷、星源材質(zhì)、滄州明珠等龍頭企業(yè)已逐步掌握了濕法工藝、PP/ PE/PP三層隔膜的生產(chǎn)技術。由于濕法工藝隔膜具有微孔分布均勻、低內(nèi)阻、大功率等特點，其在鋰離子動力電池隔膜中起著越來越重要的作用,市場份額由2014年的29%上升到了2020年的70%。涂覆隔膜是指以聚烯烴、聚酯等為基材，利用干式涂布、濕式涂布、浸涂、復合等工藝生產(chǎn)的隔膜。涂覆隔膜主要有:①以PP微孔膜為基體材料，陶瓷材料為涂層材料，進行單面或雙面涂覆;②以PE微孔膜為基體材料，陶瓷材料為涂層材料，進行單面或雙面涂覆;③以聚對苯二甲酸乙二酯（PET）膜為基體進行涂層改性的隔膜;在涂覆隔膜研究及應用案例上，三菱公司在PP干法隔膜生產(chǎn)線基礎上開發(fā)了涂裝高耐熱性無機物填料的技術，制成了可耐220℃的隔膜產(chǎn)品。國內(nèi)上海恩捷利用自有專利的涂布膜改性技術，采用陶瓷、PVDF等耐熱材料為涂層，開發(fā)的涂覆隔膜耐熱性從原來的120℃、130℃上升到150℃、180℃。150℃產(chǎn)品已經(jīng)成功推向市場，受到了好評。星源材質(zhì)公司開發(fā)的芳綸型溶劑涂覆隔膜其耐熱溫度可達180℃，吸液性和安全性也表現(xiàn)良好。涂覆隔膜具有可定制化設計和生產(chǎn)的特點，很好地補充了鋰電池隔膜的不同性能(特別是不同的溫度)需求，隨著市場規(guī)模擴大，有望成為高端鋰離子電池的標準化產(chǎn)品。為了開發(fā)綜合性能更優(yōu)異的高端隔膜，行業(yè)研究人員以以PI( 聚酰亞胺)、PET、天然纖維素、芳綸等材料為基材，并利用熔融紡絲、靜電紡絲等工藝進行多功能新型隔膜開發(fā)。丁軍等制備的PI/PET復合膜的孔徑在0.2μm左右，具有更好的耐熱性、高離子電導率和孔隙率，使用復合薄膜組裝的鋰電池安全可靠，電池性能良好。崔光磊等以海藻酸鈉基復合無紡膜為基材，采用靜電紡絲工藝制備纖維素隔膜。所制隔膜厚10μm－300μm，纖維直徑為20nm－2000nm，具有較高的離子電導率、適宜的力學性能和優(yōu)異的電化學穩(wěn)定性能，并且改善了其與正負極材料之間的界面穩(wěn)定性。相比傳統(tǒng)液態(tài)鋰電池，全固態(tài)鋰電池在安全性、能量密度和充放電倍率上有明顯優(yōu)勢，固態(tài)鋰電池很可能成為下一代鋰離子電池的主流。對于采用凝膠聚合物電解質(zhì)的全固態(tài)鋰離子電池，要求隔膜與聚合物電解質(zhì)具有很好的粘接性和吸附性，出現(xiàn)了以偏氟乙烯與六氟丙烯共聚(PVDF－HFP)為主要材料經(jīng)過溶劑涂膜、靜電紡絲或拉伸工藝制備的凝聚聚合物隔膜的相關研究和報道。鋰離子動力電池將向高能量密度、高充電倍率(在兼顧較高能量密度的前提下實現(xiàn)電池快充)、長壽命、高安全性能、環(huán)保、低成本的方向發(fā)展，高端隔膜材料的發(fā)展也將圍繞輕薄化(厚度減小)、適當高孔隙率、良好吸液性、高安全性( 耐高溫性)、低成本方向需求進行研究和開發(fā)，從而為推動鋰離子動力電池的高端化做出貢獻。在現(xiàn)有干法、濕法工藝、涂覆隔膜技術的基礎上，通過微創(chuàng)新的方式不斷提高基材性能、優(yōu)化生產(chǎn)工藝、提高生產(chǎn)效率、降低產(chǎn)品成本。例如：①改善現(xiàn)有 PE、 PP基材的材料配方，開發(fā)出更適合濕法生產(chǎn)、性能優(yōu)異的基材。②優(yōu)化干法和濕法工藝，制備厚度更小的不同規(guī)格隔膜( 3μm、5μm、7μm、9μm)，為不同鋰電池企業(yè)提供更具適用性的隔膜產(chǎn)品。③開發(fā)不同種類且性能優(yōu)異的涂覆材料( PI、PVDF、陶瓷涂覆層、無機雜化涂覆層等)，力求生產(chǎn)出兼具厚度薄、耐高溫性良好(180℃)、良好吸液性、低成本的高端隔膜。①一些國外知名隔膜企業(yè)同時也是生產(chǎn)聚烯烴、聚酯或芳綸等基礎材料的企業(yè)，在原料性能上比國內(nèi)隔膜企業(yè)有優(yōu)勢。國內(nèi)隔膜企業(yè)可以聯(lián)合國內(nèi)外材料企業(yè)共同開發(fā)高適用性的隔膜基礎材料。②在與國內(nèi)外材料企業(yè)開發(fā)PI(聚酰亞胺)、PVDF (聚偏氟乙烯)、芳綸等性能優(yōu)異的基礎材料的基礎上，嘗試利用熔融紡絲、靜電紡絲等技術有效控制隔膜的孔徑和孔隙率，生產(chǎn)具備納米孔徑、孔隙率可調(diào)、厚度均勻的高性能隔膜。鋰離子動力電池的技術發(fā)展是多樣化的，同時對鋰電池隔膜的性能也提出了多樣化的要求。隔膜企業(yè)需要根據(jù)鋰電池技術的最新發(fā)展，把握相關技術特點，開發(fā)和儲備不同系列規(guī)格的隔膜產(chǎn)品。新能源智能化汽車作為我國《中國制造2025》規(guī)劃的重點產(chǎn)業(yè)之一，必然在未來 10年里推動鋰離子動力電池隔膜產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展。雖然國內(nèi)鋰電池隔膜發(fā)展不具有先發(fā)優(yōu)勢，但近年來在隔膜基材配方、濕法工藝和涂覆工藝技術上的突破，國內(nèi)研究機構和企業(yè)已具備開發(fā)和生產(chǎn)高端鋰電池隔膜的條件和能力。隨著中國新能源汽車的蓬勃發(fā)展，鋰電池隔膜行業(yè)也必將迎來多的機遇。想要了解更多鋰電池隔膜方面信息，歡迎加入艾邦動力電池高分子材料群：
參考素材：淺談鋰離子動力電池隔膜材料的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢，劉艷等；遠川商業(yè)評論等原文始發(fā)于微信公眾號（鋰電產(chǎn)業(yè)通）：鋰離子動力電池隔膜用到哪些高分子材料和工藝？
