【摘要】 隔膜是夹在电池正极和负极之间的多孔聚合物膜，旨在防止电极之间的物理和电接触，同时允许离子传输。

锂离子电池在消费产品、电动汽车和电网存储中的广泛应用，需要进一步提高能量密度、循环寿命和安全性，所有这些都依赖于电池组件的结构和物理化学特性。隔膜是电化学电池的关键部件，夹在正极和负极之间，防止物理接触，同时允许离子通过电解质传导。虽然它是电池中的非活性成分，但它对电池的离子传输、性能、电池寿命和安全性有着深远的影响。今天，有许多类型的分离器在使用或正在考虑，包括聚烯烃分离器，改性聚烯烃分离器，无纺布分离器和陶瓷复合分离器。

 

Niranjanmurthi Lingappan[1]等人综述了不同类型隔膜的实践现状和最新进展，综述了当前隔膜技术的优势和缺陷，并概述了未来电池应用中先进隔膜的发展面临的挑战。

 

隔膜是夹在电池正极和负极之间的多孔聚合物膜，旨在防止电极之间的物理和电接触，同时允许离子传输。虽然隔膜是电池的非活性元件，但隔膜的孔隙率、孔径、机械强度、热稳定性等特性影响着电池的离子传输、循环寿命、性能和安全性。因此，隔膜代表LIB中的关键组件之一。

 

多孔分离器在电化学电池中面临多重挑战，影响电池的安全。在充放电过程中，金属氧化物阴极的氧化和负极的还原往往会导致有机液体电解液的分解，从而堵塞气孔，影响隔膜的功能。此外，重复的充放电过程可能会导致锂树枝晶(Li树枝晶)的生长，它可以穿透隔板，导致电极之间的物理接触和内部短路。

 

电池运行期间发生机械/电气/热滥用情况可能会对隔板造成物理损坏。所有这些因素都会导致隔板故障，最终可能导致电池故障。在极端情况下，这些故障可能引发火灾或爆炸。设计具有理想特性的隔膜是最大化电荷传输动力学、减少隔膜失效、防止电池过早失效的一种方法。

 

图1. LIBs的关键部件示意图。[1]

 

隔膜的性能必须确保离子传输、电池寿命和电池的安全性。以下特征是为LIBS开发分隔器的关键。隔板必须在化学和电化学性质上对电池组件保持惰性，包括电解液、活性物质、炭黑和在还原和氧化环境下的粘结剂。隔板必须很薄，但必须具有足够的机械强度和柔韧性，以承受电池制造和操作过程中产生的应力和应变。孔隙率被定义为材料中空隙的比例，它有助于保持液体电解质，并促进锂离子在电极之间的有效扩散。隔膜的孔隙率取决于制造工艺。孔隙率大的分离器可以减小内阻，促进离子快速传递。

 

图2. 分离器膜的概述。[1]

 

隔膜分为微孔聚烯烃隔膜、非织造布隔膜和陶瓷复合材料隔膜。这些隔膜的合成工艺和结构特征如孔隙率、孔径分布、厚度、电解液亲和力和机械性能都有很大的不同。

 

目前隔膜技术的一个问题是，其发展仅限于石墨阳极和锂基阴极，这两种材料的容量已经接近极限。未来电池技术最有希望的电极材料，如大容量阴极(NMC、NCA和硫)和大容量阳极(如硅、)的隔膜的开发至关重要。

 

[1] N. Lingappan, W. Lee, S. Passerini, M. Pecht, A comprehensive review of separator membranes in lithium-ion batteries, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 187 (2023) 113726.

 

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