技术资料：电池隔膜 - 图文

Battery Separators

Pankaj Arora and Zhengming（John）Zhang

目录

1 前言............................................................................................................................ 3 2 电池和隔膜市场........................................................................................................ 4 3 隔膜和电池................................................................................................................ 5 4 隔膜相关要求............................................................................................................ 6 5 隔膜的种类................................................................................................................ 7

5.1. 多微孔隔膜 ....................................................................................................................... 7 5.2. 无纺布 ............................................................................................................................... 7 5.3. 离子交换薄膜 ................................................................................................................... 8 5.4. 支撑液膜 ........................................................................................................................... 8 5.5. 聚合物电解质 ................................................................................................................... 9 5.6. 固体离子导体 ................................................................................................................... 9

6 非水性电池隔膜........................................................................................................ 9

6.1. 锂离子电池 ..................................................................................................................... 10

6.1.1. 隔膜的发展 .......................................................................................................... 11 6.1.2. 隔膜各项要求 ...................................................................................................... 16 6.1.3. 隔膜性能/特性描述 ............................................................................................. 19 6.1.4. 隔膜对电池性能和安全的影响 .......................................................................... 30 6.2. 锂聚合物电池 ................................................................................................................. 36 6.3. 锂离子凝胶聚合物电池 ................................................................................................. 37 6.4. 一次锂电池 ..................................................................................................................... 39

6.4.1. 隔膜的指标 .......................................................................................................... 40 6.4.2. 化学反应 .............................................................................................................. 41

7 水性电池隔膜.......................................................................................................... 43

7.1. 锌锰电池（碳锌电池） ................................................................................................. 44 7.2. 碱性二氧化锰锌电池 ..................................................................................................... 45 7.3. 铅酸电池 ......................................................................................................................... 46

7.3.1. 铅酸电池水系电解质 .......................................................................................... 46 7.3.2. 阀控铅酸电池 ...................................................................................................... 49 7.4. 镍电池 ............................................................................................................................. 50

7.4.1. 镍镉电池 .............................................................................................................. 51 7.4.2. 镍金属氢化物电池 .............................................................................................. 52 7.4.3. 镍氢电池 .............................................................................................................. 53 7.5. 锌电池 ............................................................................................................................. 53

7.5.1. 银锌电池 .............................................................................................................. 54 7.5.2. 镍锌电池 .............................................................................................................. 56 7.5.3. 锌空气电池 .......................................................................................................... 58 7.5.4. 锌溴电池 .............................................................................................................. 59 7.6. 氧化还原液流电池 ......................................................................................................... 59

8 电池/隔膜的数学模拟 ............................................................................................ 61

9 结论.......................................................................................................................... 62 10 展望........................................................................................................................ 63 11 致谢 ........................................................................................................................ 63

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1 前言

近年来，凭借电化学和新兴的电池化学的持续性发展，电池技术取得了很大的进步。然而，至今为止仍没有一种在各种操作条件下都表现良好的“理想”电池。这种状况也发生在隔膜上，至今为止，仍没有一种能完全满足电池化学和几何学要求的“理想”隔膜。

隔膜是置于电池正负极之间的多微孔薄膜，离子可以自由通过，同时隔断正负极的直接接触。近几年来，已有多种隔膜用于电池。从一开始的雪松盖板和香肠包装材质，隔膜经历了由纤维质纸和玻璃纸制造的无纺布、泡沫材料、离子交换膜和由聚合物材料制成的多孔平铺膜等一系列的转变。伴随着电池越来越受人们的青睐，隔膜的性能也倍受关注，且种类也变得复杂多样。

在所有电池中，隔膜均起着至关重要的作用。隔膜的主要作用是隔离正负极，从而避免出现短路现象，同时，隔膜也是离子快速交换的通道，以便电池内形成循环回路。隔膜必须是良好的绝缘体，并且能使离子通过固有的离子通道，或者浸渍电解液从而疏通离子。隔膜应该降低任何影响电池电化学能量效率的过程发生的概率。

相对于研究电极材料和电解质，人们在塑造和发展新的隔膜上做出的工作并不多，对于评估电池隔膜的出版物也没有给出过多的关注。近年来，有许多关于电池的制造、性能及其在实际生活中的应用等方面的综述相继报道，但没有一篇报道能够详细地介绍电池隔膜。最近，有几篇以英文和日文形式出版的综述，讨论了不同电池种类的各种隔膜。在《电池材料手册》上，由Boehnstedt和Spotnitz分别发表了关于铅酸电池和锂离子电池的相关综述。早期，Kinoshita等关于做了相关的研究，即不同种类的薄膜/隔膜应用于不同的电化学系统，包括电池。

目前应用于电池的大部分隔膜，主要是由现存的纺纱技术生产的。通常它们不是针对不同种类的电池而分别生产的，这样它们可能不会完全满足使用环境的要求。调整现有技术产生的一个积极地的结果是，以相对较低的成本生产大量批的隔膜。低成本隔膜的实用性在电池商业中是一个重要的概念，因为电池行业的运作传统上讲利润空间小，研究预算少。

本文的目的是描述不同类型的电池隔膜，包括其在电池中的应用，及其化学、机械和电化学特性，其中特别强调了锂离子电池隔膜，并对应用于锂离子电池的隔膜的特殊要求、性能和特性化技术做了相关描述，对其他种类电池中应用的隔膜只做了简要的讨论。尽管隔膜的应用已经很普遍，但是改善其性能、延长其使用寿命及降低生产成本这些任务依然迫在眉睫。

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在下面的段落里，将讨论不同隔膜的关键问题，希望这些问题能够在现在和将来隔膜技术发展的方向和研究中变成焦点问题。

2 电池和隔膜市场

在过去的几年里，电池行业在便携式、可充电电池组方面取得了巨大的发展。这种发展绝大部分归因于手机、个人数字化助理（PDA）、手提电脑和其他无线电子产品的广泛使用。 由移动电话和个人数字化助理，到电动车辆和混合型电动车辆，电池均是系统能量的主要来源。2000年电池的世界市场份额大约是410亿美元，其中包括162亿美元份额的一次性电池和249亿美元份额的二次性电池。

最近一项来自弗里多尼亚的研究显示，预计全美国对一次电池和二次电池的总需求每年攀升5.5个百分点，2007年将会达到140亿美元。人们对数码相机和3G无线电话类的电池供电器件，以及越来越多的电气电子设备的需求日益强烈，正是这种强烈的需求驱使着电池用量的不断增长。预计对二次电池的需求将会于2007年超过一次电池的市场收益，届时人们也会从使用高消耗便携式电子设备中受益。尽管锂离子电池和镍氢电池的使用量以强烈的势头增长，2007年铅酸蓄电池仍将会占据一半以上的可充电电池市场。2007年碱性电池仍是主要优势类型，占据一次电池总销量的三分之二以上。

2003年便携式电子设备的可充电电池（镍镉电池、镍氢电池和锂离子电池）市场份额大约是52.4亿美元，较2002年增长20%。锂离子电池市场份额占到38亿美元（约73%）。遍布世界90%以上的手机、便携式摄像机和便携式电脑用的是锂离子电池，并且最近锂离子电池也被用于充当电力工具。人们在锂离子电池方面取得的进步清晰可见，1994至2002年间18650型和棱柱电池的容量和能量密度增长了两倍。在过去的几年里，锂离子电池产品的应用已经由日本传播到了韩国（三星、LG等）和中国（BYD、B&K、力神等）。几家日本公司（三洋、索尼、MBI、NEC等）和几家韩国公司（LG化学等）制造商也纷纷将其制造工厂转移到中国。2000年，日本拥有全球94%的可充电电池市场，如今其市场份额已经削减到了全球市场的65%。锂离子电池市场的持续扩大，必将导致电池隔膜需求量的不断增长。所有的电池隔膜生产商（包括Celgard、Asahi和Tonen）都已经在2003年加大了自己的生产力度，或者预计在2004年扩大生产。

在文献中并没有发现太多的关于电池隔膜市场的信息。据估计，大约30%的可充电锂离子电池市场或15亿美元被电池材料或零组件占据。在所有电池组件里面，锂离子电池隔膜约占3.3亿美元的市场份额。最近，据弗里多尼亚集团报道，美国对电池隔膜的需求将会由1977年的2.37亿美元和2002年的3亿美

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