守护锂电安全生命线：隔膜技术的重要性与进展

新能源汽车产业在中国发展迅猛，也带动了动力电池产业的发展。但电动汽车起火的消息不时窜上热搜，因而锂离子电池的安全问题成为产业发展的一大痛点。

 

隔膜（Separator）是锂电池（图1）的重要组成部分，位于电池的正负极之间，主要作用是隔离正负极，防止电池短路和燃爆，同时允许电解质离子通过。因此，隔膜材料的选择和优化是提高锂电池安全性能的关键因素之一。

 

图1：锂电池结构组成图 ©互联网

隔膜的性能优劣对锂电池的安全性有着决定性的影响，主要表现在以下几个方面：
◆ 阻止正负极接触短路：隔膜作为正负极之间的屏障，其最基本的作用是防止正负极直接接触而引发电池内部短路，这对于保证电池的安全运行至关重要。如果隔膜材料存在缺陷或者破损，就可能导致电池内部短路，从而引发电池燃爆等安全问题。因此，隔膜必须有足够的机械强度、稳定性和良好的绝缘性能，以确保在电池使用过程中不会发生破损或变形，维持长期使用中的电极间距。

◆ 控制电池内部短路反应：即使电池内部发生了短路，隔膜材料也可以在一定程度上控制短路反应的速度和程度。一些高性能的隔膜材料可以通过其特殊的结构和化学成分，降低电池内部短路时的温度和压力，从而减少电池燃爆的风险。

◆ 离子传导：隔膜具有微孔结构，允许锂离子在充电和放电过程中通过，同时阻止电子通过，从而实现电荷的定向移动。孔径大小、均匀性以及孔隙率等因素直接影响电池的锂离子传导能力和充放电效率。

◆ 抑制锂枝晶生长：锂枝晶（图2）是指在锂电池充放电过程中，在负极（通常是石墨或锂金属）表面形成的树枝状锂晶体，它可能导致内部短路和电池失效，严重时会引起电池热失控和爆炸。高质量的隔膜能够有效抑制锂枝晶穿刺。

 

图2：超限电流下的锂枝晶生长机制示意图 ©互联网

◆ 控制内阻：隔膜的厚度、孔隙率以及透气率等物理性质会影响电池的内阻，进而影响电池的能量密度和功率性能。适当的内阻有助于提高电池的安全性，防止过大电流造成的发热和损坏。

锂电池产品的发展呈现出高能化、大型化和多集成的特征，其容量变得更大更厚。而产热量越大，其散热就越慢，安全风险越高。在安全性方面，电池对隔膜的要求为：具有足够的穿刺强度，防止锂枝晶、极片毛刺刺穿隔膜造成短路；具有尽可能高的融化温度，防止隔膜熔化造成电池内部再短路；闭孔温度高于电池正常使用温度，低于融化温度，防止电池过热。为了提高锂电池的安全性，现代隔膜产业在材料选择、结构设计和生产工艺等方面进行了大量的研究和努力。

 

新型材料的研发

选择合适的隔膜材料（图3）对于提高锂电池的安全性至关重要。目前，常用的锂电池隔膜材料主要包括聚烯烃材料、无机膜材料和复合膜材料等。这些材料各有优缺点，需要根据具体的应用场景和需求进行选择。发展面向高能量密度和高安全性电池的隔膜材料迫在眉睫。

 

图3：隔膜材料 ©互联网

聚烯烃材料是目前最常用的锂电池隔膜材料，如PP、PE、PP/PE、PP/PE/PP，具有良好的机械性能和化学稳定性。但传统聚烯烃隔膜存在着一些缺点，如PE和PP的热变形温度低（PE为80~85℃、PP为100℃），温度过高时易发生热收缩，导致电池短路甚至引发爆炸。聚烯烃隔膜对电解液的浸润性较差，导致电池的循环寿命短。而且传统隔膜孔径较大（>1μm），穿刺强度低，难以抑制枝晶穿刺。为了提高其安全性，研究者们通过改进聚合物的分子结构、添加阻燃剂等方法，提高了聚烯烃隔膜的耐高温性能和阻燃性能。

 

图4：陶瓷涂覆隔膜 ©互联网

为了提高隔膜的热稳定性，业界开发出了在聚烯烃隔膜表面涂覆氧化铝、二氧化硅等陶瓷颗粒的工艺，可以显著提高隔膜的耐高温性能和热稳定性。这种陶瓷涂层隔膜（图4）在高温，甚至150℃下仍能保持结构的完整性，阻止锂离子迁移过快，从而有效防止电池热失控和燃爆，提高电池的安全阈值。例如，日本旭化成公司推出的Celgard AVS系列隔膜就采用了此类先进的陶瓷涂覆技术，增强了隔膜的热稳定性，使其在高温条件下能够更好地防止内部短路，降低电池在极端条件下的热失控风险。涂覆的陶瓷层有助于抑制锂离子在负极表面的不均匀沉积，也就是锂枝晶的形成，从而提高了电池的循环寿命和安全性，为电动汽车、储能系统和其他高性能电池应用提供了关键的组件支持。

研究者们还在开发新型耐高温隔膜材料，如聚酰亚胺（PI）和聚芳醚酮（PEEK）等，它们能在更高的温度下保持完整性，防止在极端条件下电池内部短路。

开发高科技隔膜产品——低闭高破隔膜，兼顾电池正常工作时的安全性以及在异常状况下能主动启动保护机制。这种隔膜材料的性能对于提升锂离子电池的整体安全性能尤为重要，尤其是在高能量密度电池的设计和应用中。

 

结构设计创新

多层复合隔膜：通过将不同材料、不同性能的隔膜进行复合，可以综合提高隔膜的整体性能。例如，将聚烯烃隔膜与陶瓷涂层隔膜进行复合，可以同时提高隔膜的机械强度、热稳定性和阻燃性能。如采用PVDF/PET/PP三层复合结构，其中PET层提供强度支持，PVDF层则有利于提高电解液润湿性和离子传导性，而PP层则起到基本的绝缘隔离作用。

微孔结构设计：通过在隔膜表面设计有序的微孔结构，可以优化电解质在隔膜中的渗透性和离子迁移速率，从而提高电池的充放电性能和安全性。例如，采用纳米级微孔结构的隔膜，可以显著提高电解质的浸润性和离子迁移率，降低电池内部短路的风险，又能保证足够的机械强度和良好的热稳定性。

 

生产工艺创新

国内外科研机构和企业也在积极探索和研发兼具高强度、高安全性、低电阻特性的新一代隔膜生产工艺，以期在未来的电动汽车和储能市场中占据竞争优势。

干法工艺是目前最常用的隔膜生产工艺之一，通过控制拉伸温度、拉伸速率和拉伸比等参数，可以制备出具有优异机械性能和微孔结构的隔膜。为了提高干法隔膜的安全性，研究者们通过优化拉伸工艺、引入热处理等后处理步骤，提高了隔膜的热稳定性和阻燃性能。

湿法工艺制备的隔膜具有较高的孔隙率和较好的电解质浸润性，适用于高能量密度的锂电池。为了提高湿法隔膜的安全性，研究者们通过改进浆料配方、优化涂布工艺等方法，提高了隔膜的均匀性、机械强度和热稳定性。涂覆隔膜更能满足日渐增长的电池安全性能需求。

 

通过高精度打孔技术控制隔膜孔径大小和分布可优化离子通道，降低电池内阻，同时防止过大颗粒穿透，增强安全性。
采用先进的生产设备和工艺流程，例如自动化的生产线和在线监控系统，实现智能化制造，以确保隔膜生产的稳定性和一致性，减少不良品率（图5）。

中国新能源汽车年产销量连续八年位居全球第一，推动着动力电池行业的持续高涨。当前以宁德时代麒麟电池、比亚迪刀片电池、特斯拉4680电池为代表的创新产品各领风骚，短时间内恐难决出绝对王者。上述三种电池都采用了最新的隔膜技术，不断提升隔膜的安全性能和电池整体效能，在材料和设计原则上具有一定通用性，但具体应用中会有所不同，隔膜技术也成为电池专利技术的一部分。

 

◆ 宁德时代麒麟电池：虽然公开资料中并没有麒麟电池隔膜的详细规格，但可以推测麒麟电池作为高能量密度和高安全性的电池产品，其隔膜可能采用了更薄的厚度设计，并结合了陶瓷涂覆等技术以增强热稳定性，防止内部短路。

◆ 比亚迪刀片电池：采用磷酸铁锂材料，安全性能高，其隔膜设计更为注重在提高电池内部结构稳定性的同时，降低内阻，优化电池的充放电性能。比亚迪对隔膜的孔隙率、厚度以及热稳定性等方面进行针对性优化。

◆ 特斯拉4680电池：其隔膜也采用了更先进的技术，例如优化孔径分布以提高锂离子的迁移速率，以及使用了特殊的涂层技术来增强电池的安全性，减少热失控的风险。

得益于新能源汽车、储能系统、消费电子等行业对锂电池需求的持续增长，中国锂电池隔膜企业纷纷加快产能布局和扩产步伐，全球产能向中国集中，国内隔膜企业已形成全球竞争力。2023年，全国隔膜出货量约173亿m²，同比增长近30%；全球出货量约214亿m²，中国占比81%。预计到2025年全球锂电池需求量将达到2400GWh，相应的隔膜需求量将达到370亿平。

2023年全球锂电膜企竞争格局中，中国企业占有主导地位，形成了“一超多强”的格局：恩捷股份作为全球最大的锂电池隔膜供应商，市场占有率高达41.1%左右，显示出强大的市场竞争力。还有星源材质、中材科技、金力股份和中兴新材等多家国内企业也表现出强劲的竞争实力，共同推动着全球锂电池隔膜市场的快速发展。其他国家和地区的知名隔膜生产商，如日本的旭化成（Asahi Kasei）、东丽（Toray）和韩国的SK Innovation等也在全球市场中占有一席之地。各大企业竞相投资研发，不断改进和优化隔膜材料的性能，如提高孔隙率、增强机械强度、降低厚度、提高热稳定性等，通过技术创新和差异化产品来巩固和拓展市场份额。

高安全、高比能量、长循环寿命、高压快充、低成本，仍然是锂电池技术发展的主旋律，“高安全+高能量密度”是锂电池的终级追求！

 

来源：荣格-《国际塑料商情》

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