鋰離子電池隔膜材料將會如何發展？
我不是圈內人，所以對於隔膜的作用理解僅僅停留在隔離正負極材料接觸上。不知道這樣的理解是否有偏差？希望能從學術的角度了解一下。
如果沒有偏差，那麼隔膜材料的發展方向是不是其實就是材料穩定性的提升？如果這樣的理解有偏差，還希望能夠介紹鋰離子電池隔膜材料將會如何發展？謝謝！
題主對這個隔膜的作用理解基本正確，我從一些方面補充一下，由於只能算是鋰離子電池研究新手，若有不足之處，請指正，很多東西是從網上調研和自己看到的一些文獻里來的，有關產業界的一些觀點，可能存在謬誤。
鋰離子電池隔膜是指在鋰離子電池正極與負極中間的聚合物隔膜，是鋰離子電池最關鍵的部分，對電池安全性和成本有直接影響．
其主要作用有：隔離正負極並使電池內的電子不能自由穿過；讓電解質液中的離子在正負極間自由通過。其鋰離子傳導能力直接關係到鋰離子電池的整體性能，其隔離正負極的作用使電池在過度充電或者溫度升高的情況下能限制電流的升高，防止電池短路引起爆炸，具有微孔自閉保護作用，對電池使用者和設備起到安全保護的作用。鋰離子電池隔膜除了具備通常隔膜材料的性能要求，還需滿足如高離子遷移數，優異的化學及電化學穩定性，良好的力學性能，較高的保液率等要求。
動力型電池，要求鋰離子電池有更大的容量、更高的電壓、更長的循環性能、更高的安全性能、長時間穩定輸出的均一性能以及為汽車提供瞬間加速的大倍率放電性能。因此，作為動力型鋰離子電池的隔膜，要求隔膜具有高孔隙率、良好的浸潤性、較高的強度、良好的熱尺寸穩定性、合適的熱關閉溫度和很高的熱熔化溫度
短期來說，鋰離子電池隔膜還是從隔膜材料和工藝入手來解決其問題：（1）隔膜材料性能提升。目前通用的PP、PE隔膜，因為原材料的物性限制，隔膜的親液性能、耐高溫性能有明顯的局限性，一般而言PP的熔點是165℃左右，PE的熔點是135℃左右。改進隔膜的原材料性能，是提升隔膜性能的一大研究方向。在通用隔膜上加入或者複合具有親液性能、耐高溫性能等特性的材料，從而獲得性能更加優異的複合隔膜是隔膜發展的另一方向。目前常用的工藝包括塗覆、浸塗、噴塗、複合等。往隔膜上添加的材料不同，隔膜獲得的性能提升也不一樣，如對於動力電池可在表面加入氧化鋁、氧化鋯高溫穩定的無機材料塗層。(2) 隔膜材料種類的多元化。目前商用的鋰離子電池隔膜大多為聚烯烴類，而一些綜合性能更為優異的聚合物材料逐漸應用於隔膜產品，例如聚偏氟乙烯( PVDF) 聚醯亞胺( PI) 芳綸和纖維素等．( 3) 隔膜結構形態調控． 更小的孔尺寸更高的孔隙率以及內部互通的開孔結構有利於提高鋰電池的離子遷移率。非紡織造布技術，包括熔融紡絲、溶液紡絲、靜電紡絲等工藝，具有孔隙率高、納米纖維尺寸小、厚度較均勻等優點，通過工藝的優化基本可以滿足鋰離子電池隔膜的需求。特別的，靜電紡絲法可以通過改變紡絲條件獲得形貌可控，孔隙率可調的隔膜，目前已有這方面的研究工作，然而靜電紡絲法也存在不足之處，相比於傳統多孔膜，靜電紡絲膜往往力學性能較差，同時生產效率較低，成本較高。因此如何增強隔膜性能，提高生產效率，減低成本，是未來急需克服的難題。長期來看，單純的隔膜將不再存在，而由凝膠或者全固態電解質充當其隔膜的角色。現階段而言，全固態鋰離子聚合物電池採用主要採用凝膠聚電解質，要求隔膜具有很好的吸液性能，出現了以偏氟乙烯與六氟丙烯共聚物(PVDF-HFP))為主要材料通過溶劑塗膜、靜電紡絲或拉伸的方法製備凝膠聚合物隔膜的研究和報道。同時在以聚烯烴隔膜材料為基體，塗覆PVDF、PEO等材料的研究也屢有出現。
如果再進一步，變成實質意義上的全固態電池，其隔膜就完全被固態電解質（all solid state）取代了，如下：
2016-01-13
國內隔膜的總體技術水準落後，動力電池隔膜方面差距更大。國內的產品差距主要在於各項性能指針不能得到整體兼顧，量產批次穩定性較差，不適用於對一致性和均一性要求極高的高端產品 (包括動力電池隔膜)。目前使用的動力隔膜主要有高熔點的濕法 PE 膜、PP/PE/PP三層隔膜、有機/無機複合膜，受到專利和技術工藝的限制，國內產品還無法與進口產品抗衡。靜電紡絲技術製備隔膜的項目已處於產業化初期，但此技術路線尚未獲得市場檢驗。作為鋰電池四大材料之一的隔膜，儘管並不參與電池中的電化學反應，但卻是鋰電池中關鍵的內層組件。電池的容量、循環性能和充放電電流密度等關鍵性能都與隔膜有著直接的關係，隔膜性能的改善對提高鋰電池的綜合性能起著重要作用。
在鋰電池中，隔膜吸收電解液後，可隔離正、負極，以防止短路，但同時還要允許鋰離子的傳導。而在過度充電或者溫度升高時，隔膜還要有高溫自閉性能，以阻隔電流傳導防止爆炸。不僅如此，鋰電池隔膜還要有強度高、防火、耐化學試劑、耐酸鹼腐蝕性、生物兼容性好、無毒等特點。理想的隔膜應該對電子有無限大的電阻，而對離子有零電阻。在實際應用中，用作隔膜的高分子電阻率在 10E12
~ 10E14 Ωcm 量級。而對於混合動力車和純電動車而言，較低的內部離子電阻顯得尤為重要，因為動力電池需要提供高功率。但是，隔膜的存在總是會增加離子電阻。這是由於隔膜有限的孔隙率總是意味著電解液和電極之間有限的接觸面積；微孔結構的扭曲性導致了離子電流相對單獨使用液態電解液而言有更長的平均路徑。通常，厚度較薄的隔膜，高的孔隙率，大的平均孔徑尺寸，都可以最小化離子電阻，提供高的電池功率。然而，太多的孔隙和薄的厚度都會降低隔膜的力學性能，增加了電池內部短路的風險。實際上，目前大部分使用的隔膜厚度在 20~30 微米之間，具有亞微米尺寸的孔，孔隙率在 40%~70% 之間。
另外，隔膜應該具有機械強度，不會扭曲和屈服，以保證正極和負極在電池使用的全壽命周期中不會彼此接觸。隔膜還必須在高溫下具有尺寸穩定性，特別是對高功率電池的應用而言。完全充滿電的電池在電極-電解液的介面呈現高度氧化和還原環境，保持隔膜在這種環境下的穩定性就顯得特別重要。液態電解質鋰離子電池所用隔膜可以分為：微孔高分子膜，非織造布及複合隔膜。由於具有加工成本較低和機械性能較好的優點，微孔高分子膜使用最廣泛。非織造布的優點是成本低和熱穩定性好。而複合隔膜由於提供了極好的熱穩定性和對非水電解質的浸潤性，近來也引起很大的關注。隔膜是避免鋰電池內部熱失控的關鍵部件，儘管具有熱關閉性能的隔膜上世紀 90 年代就已經商品化了，但它對於加工缺陷造成的硬性內部短路卻是無效的。為了減輕內部短路，在過去幾年中人們提出了兩種技術路線。一是製備具有高熔點，低的高溫收縮性和優異的機械性能(特別是抗穿刺強度)的隔膜。二是製備陶瓷改善的隔膜。後者要麼在表面具有陶瓷層，要麼將陶瓷粉末分散於高分子材料中，其中陶瓷起的主要作用是防止電極間的空間坍塌，從而避免熱失控情況下的內部短路。
目前使用的鋰電池隔膜一般都能提供一個附加功能，就是熱關閉。這一特性也為鋰電池的安全性提供了額外的幫助。這是因為隔膜所用聚烯烴材料具有熱塑性，當溫度接近材料熔點時，微孔閉合形成熱關閉，從而阻斷離子的繼續傳輸而形成斷路，起到保護電池的作用。隔膜還必須防止電極在高溫下互相接觸，因此在高溫下的收縮需要最小化。目前使用最廣泛的製備隔膜的兩種工藝是干法工藝和濕法工藝，兩種工藝都需要採用擠出機，並且在一個或兩個方向進行拉伸。拉伸目的是要引入和增加孔隙率並改善拉伸強度，兩者都採用低成本的聚烯烴作為原料，因此隔膜成本大部分由加工方法決定。
干法工藝：在干法工藝中，熔融擠出的聚烯烴薄膜直接在熔點以下進行高溫退火處理，以促進晶體生長和/或增加晶體的尺寸和數量。規則排列的晶體具有平行排列的片晶，方向垂直於擠出方向。薄膜通常先在較低溫度下進行單軸拉伸，隨後在較高溫度下進行拉伸。通過使用軋輥，可獲得沿擠出方向 150％~ 250％ 的拉伸，多孔結構在這一過程中就形成了。隨後進行熱處理來固定這些微孔並釋放薄膜中的殘餘應力。採用干法製備的多孔隔膜通常顯示出特徵的裂縫狀的微孔結構.納米尺寸的纖維連接了相鄰的晶區。通常來說，單軸拉伸的薄膜顯示出較好的機械性能 (150MPa 的拉伸強度)，但是沿擠出方向有高的熱縮性；而在橫向上，則顯示較低的拉伸強度 (15Mpa) 而熱縮性則可以忽略。採用干法不需要使用溶劑，但是這種方法只適用於可以形成半結晶結構的高分子。提高退火溫度可進一步提高結晶度。
濕法工藝：在濕法工藝中，高分子在高溫下被擠出或吹製成薄膜前，需要將增塑劑(或低分子量的物質，例如石蠟油和礦物油)加入到高分子中。在薄膜固化後，通過使用易揮發溶劑 (例如二氯甲烷和三氯乙烯)，增塑劑被從薄膜中萃取出來，從而留下了亞微米尺寸的微孔。隨後，多孔薄膜通過一個溶劑萃取器來移除其中的溶劑。採用濕法工藝製備的隔膜通常進行雙軸拉伸來擴大微孔的尺寸以及增加孔隙率。濕法工藝得到的隔膜中的孔更加類似圓形。沿擠出方向和橫向的拉伸強度相差不多，兩者都可以超過 100 Mpa。由於沒有要求在拉伸前需要形成半結晶性結構，因此與干法工藝相比，濕法工藝可用於更多的高分子。另外，增塑劑的使用降低了粘度，因此改善了高分子的加工性能。但是，濕法過程中的增塑劑萃取增加了生產成本。許多參數，例如淬冷溫度，拉伸速率和薄膜厚度等都會影響隔膜的形貌。Ma 等人的研究表明，在增塑劑萃取前拉伸可以產生平均尺寸更小的微孔和更窄的孔徑分布(相比增塑劑萃取後拉伸)。除了干法和濕法之外，還有其他一些方法也被研究用來製備鋰離子電池用隔膜。相轉化就是另一種為人熟知的製備薄膜的方法。
大部分商業化的鋰電池隔膜都是利用 PE，PP，其他聚烯烴及它們的混合物或者共聚物，通過干法或濕法工藝製備得到。聚烯烴通常具有很好的機械性能和化學穩定性，通過關閉微孔和將薄膜變成無孔薄膜，大部分的聚烯烴隔膜在不同溫度下都具有熱關閉功能。PP 膜的熱關閉溫度在 160℃ 左右，PE 膜在 120℃-150℃ 之間(取決於形貌)。儘管聚烯烴材料可以在合適的溫度區間內提供熱關閉功能，但是微孔關閉後電芯的溫度仍然可能繼續升高。因此隔膜可能收縮，熔融並最終導致電極短路。為此，熱關閉溫度和熔融溫度之間的間隔應該越大越好。為達到這一目的，可以將 PP 和 PE 雙擠出或製成薄板來製備多層薄膜。人們為此製備了 PP/PE 雙層隔膜以及 PP/PE/PP 三層隔膜。在溫度低於熱失控溫度時，PE 層轉化成無孔膜，從而增加了電阻並提供熱關閉。與此同時，PP 層仍舊能保持隔膜的機械性能並隔離電極。
採用濕法工藝利用高密度聚乙烯 (HDPE) 和超高分子量聚乙烯 (UHMWPE) 的共混物製備隔膜。隨著共混物中 UHMWPE 分子量的提高和含量的增大，隔膜機械性能也提高了。含有 6wt.%
UHMWPE 的隔膜在拉伸比為 5 時，拉伸強度大約為 100Mpa。儘管拉伸強度將隨拉伸比的增大而增大，但抗衝擊強度卻會下降。實驗結果表明隔膜孔徑尺寸非常均一，大部分在 0.10 到 0.12 微米之間。聚醯亞胺前體是由四羧和二氨通過聚合反應得到的聚醯胺酸。多孔的前體膜是通過相轉化方法得到的，先將聚醯胺酸溶液塗在玻璃基底上，形成由溶劑和非溶劑混合的液體膜，再將該薄膜浸沒在由溶劑和非溶劑形成的凝固液中。隨後將前體膜進行乾燥和亞胺化形成聚醯亞胺多孔膜。該方法得到的聚醯亞胺隔膜顯示了相對均一的孔徑分布。儘管這種薄膜沒有熱關閉功能，但是卻有非常好的熱穩定性。
一種陶瓷隔膜，通過塗覆一層超薄的 PET 非織造支撐層和氧化物包括氧化鋁，氧化鋯和硅石製備得到。氧化物顆粒先懸浮在無機的粘合劑中，然後將懸浮液塗覆在非織造 PET 上。通過將塗覆後的 PET 在 200℃ 下乾燥就得到了複合隔膜。這種方法獲得的隔膜有著很小的、大約 0.08 微米的平均孔洞尺寸和大約 24 微米的厚度。在這種隔膜中，大約 20 微米厚的 PET 非織造物提供了拉伸強度和靈活性，而陶瓷顆粒塗層則有助於避免針孔，同時阻止了枝晶穿透和提供了熱穩定性。一種陶瓷增強的隔膜，通過在多孔基底上(通常是聚烯烴多孔膜)塗覆一層由無機顆粒和高分子粘合劑混合漿得到的多孔層。該隔膜由 PE作支撐層，鈦酸鋇/丁基丙烯酸鹽－丙烯酸共聚物作塗層，在 150℃ 下 1 小時後收縮小於 0％。
人們正努力不斷開發新的隔膜材料以平衡甚至同時提高隔膜的性能和安全性。同時，由於隔膜占電池成本 20% 左右，因此發展隔膜製造技術以製備低成本隔膜，對於降低電池系統的整體成本也意義重大。
從性能上講，除去基本要求外，隔膜越薄越好，透氣率越高越好，拉伸/斷裂/針刺強度越高越好，耐熱溫度越高越好。一般而言，以上幾點有矛盾。
隔膜最主要的作用不僅僅是物理隔離正負極材料的接觸，也要有供離子通過的路徑。也就是說電子絕緣，離子導通。
目前來講，在強大的社會發展需求和巨大的市場推動下，動力電池技術正向安全可靠、高比能量、長壽命、低成本的方向大力發展。隔膜作為關鍵材料，其性能被寄予了更高的期望，其開發和性能的優化也刻不容緩。
從動力電池的實際需求為出發點，基於電池的應用性能特徵和應用工程技術持續提升前提下，隔膜材料的發展方向主要是薄、強、剛、平、耐。具體來講，就是電池的高比能量勢必要求隔膜更薄的厚度，現今常用聚烯烴的厚度都控制在20微米內；同時，電池使用的安全可靠性就要求隔膜更強的抗拉伸性能、更好的剛性，滿足電池的基本工藝需求，比如在電芯製作過程中有張力控制，隔膜較薄的情況下，不能出現撕裂問題；高效率的生產現狀下，膜面的平整度也引起來更多的關注，否則電芯對齊度不良或者褶皺等將會紛至沓來；電池極端濫用條件下的安全性也要求隔膜耐熱性更好，比如大眾的PV8450要求電池要經受200攝氏度的高溫熱箱，那隔膜就需要在相應的溫度下不收縮，不破膜。
當然，以上說的也只是今天的問題，我們也要相信明天的明天會更好！耐高溫材料的隔膜、耐高溫塗層的隔膜、固態電解質等一定會dazzle你的雙眼！
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