第一作者：Marie Francine Lagadec

通讯作者：Vanessa Wood

通讯单位：瑞士苏黎世联邦理工学院

核心内容：

1.阐述了锂离子电池隔膜的基本结构和离子传递原理

2.剖析了锂离子电池隔膜对离子传递的影响

3.总结了锂离子电池隔膜的表征方法

在配备液态电解质的锂离子电池中，隔膜是一个很奇妙的东西。它不是活性单元，却又必不可少，对锂离子电池中的离子传递、倍率性能、寿命和安全等诸多性能都影响颇深。随着对隔膜本身以及隔膜与电解质之间的相互作用的认识的不断加深，科研人员认识到，提高隔膜性能，将极大地提高锂离子电池的性能，以满足日益增长的需求。

有鉴于此，瑞士苏黎世联邦理工学院Vanessa Wood课题组综述了锂离子电池隔膜的表征方法和性能评价方法，尤其从隔膜的结构和化学的角度阐述了其对锂离子电池的影响，深入探讨了所存在的构效关系。

锂离子电池的基本结构

目前，商业化锂离子电池主要由正极、负极、隔膜、电解质以及集流器组成。多孔结构的正负电极被金属集流器层压在中间，并由隔膜隔开。大部分锂离子电池隔膜由半晶态的PE或PP形成的聚烯烃材料，厚度<25μm，孔隙度大约40%。在多孔电极和隔膜的空隙处，充满了电解质。隔膜主要起到两个作用：

1）隔离正负极，防止短路；

2）确保锂离子在充放电过程中通畅地传递。

图1. 锂离子电池中的隔膜结构示意图

锂离子电池隔膜中的离子传递原理

由于离子在电解质中的传导能力是有限的，因此，在放电过程中会产生电压损失，在充电过程中就必须增加额外的电压来驱动离子电流，这种电压的差别被称为电解质阻抗过电位。离子电导率越低，电流越大，这种电解质阻抗过电位就越大。而这种大过电位则抑制了电池的理论电压和比容量，并因为发热最终导致电池性能衰退和锂析出。

研究表明，离子导电率深受盐浓度的影响，因此，过电位的大小实际上取决于电解质中盐浓度的高低，尤其是在离子浓度较高（≳2.5 M）和较低（≲0.5 M）的区域急剧增变大。

有限元分析软件COMSOL模拟对于理解离子浓度和传递数量对电池性能影响起到了重要帮助。COMSOL模拟表明，隔膜中电解质导电性的提高和迁移数量的增加有助于提高锂离子电池的整体性能，尤其是在高电流速率的情况下。

除此之外，锂离子的均匀传递降低了不完全锂化和脱锂的风险，并避免过度充电，对于提高电池寿命和安全性也至关重要。

表1.常见锂离子电池隔膜参数

锂离子电池隔膜对离子传递的影响

隔膜对锂离子电池的影响除了在于离子传递之外，很大程度上还受隔膜与电解质之间的化学相互作用左右。其影响可以归纳为三个类别：

1）隔膜结构：孔隙度、孔尺寸、孔弯曲度、透过性等

2）隔膜化学：表面功能化、表面自由能、介电透过性、杨氏模量等

3）电解质化学：黏度、传递数量、介电透过性、表面自由能等

图2. 锂离子电池隔膜和形貌的构效关系

锂离子电池隔膜的表征方法

作者从是三个角度总结了锂离子电池隔膜的表征方法：

1）隔膜结构表征

2）隔膜表面-电解质相互作用表征

3）隔膜性能对电池动力学影响的表征

表2. 锂离子电池隔膜常用表征手段

小结

不是活性材料，胜似活性材料，对于隔膜的理解和性能提升，或许需要更多不同学科的人来一期努力。毕竟其他新兴电池材料离真正大规模应用还远，先把锂离子电池的问题吃透也不失为一件美事！

参考文献：

MarieFrancine Lagadec, Raphael Zahn, Vanessa Wood.Characterization and performanceevaluation of lithium-ion battery separators. Nature Energy 2018.

https://www.nature.com/articles/s41560-018-0295-9