隔阴阳两极，通孔道万千——湿法锂电隔膜

马氏体

2022-10-06 15:40

在锂离子电池里，涂覆着电极活性材料的正、负极片层层堆叠或卷绕，以求在尽可能小的空间内塞入尽可能多的能量。

500

然而，正负极片之间不能直接接触，必须由一层隔膜分隔开。

500

隔膜要具有较强的抗穿刺强度（上图是用针做穿刺隔膜的试验），否则在电芯压制成型的过程中（下图），隔膜可能被凹凸不平的正负极片刺穿，导致电池内部短路。

500

但隔膜也不能“密不透风”，它需要浸润电解质，容许锂离子来回穿行，才能实现电池的充放电。

500

能够同时满足这么多严格要求的材料，是多孔聚烯烃薄膜。从成分上讲，主要有聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）两种。

500

从造孔工艺上看，聚乙烯隔膜采用湿法工艺，即先在聚乙烯中混入白油（石蜡油，由石油精炼得到），在薄膜中占据一定的空间，再用溶剂溶解掉石蜡油，从而得到多孔膜；聚丙烯隔膜采用干法工艺，先使聚丙烯薄膜结晶，再通过拉伸把结晶中的缺陷撕裂成孔。

相较而言，湿法隔膜的厚度更薄（湿法隔膜可以做到5-7微米，干法隔膜只能做到十几二十微米）、孔隙均匀且孔隙率高，适合高能量密度、大功率充放电的动力电池和高端电子产品电池。因此，尽管湿法隔膜的成本较高，但在锂电隔膜中占比已达70%以上。

今天，就让我们透过电视画面，去看看湿法隔膜是如何生产出来的。

首先，要把作为薄膜材料的超高分子量聚乙烯与作为成孔剂的白油均匀混合。

500

两个料筒内分别盛装聚乙烯和白油原料，经过精确配比、加热、挤出混合，得到混匀的熔体。

500

熔体经过长条形的模口，流到冷却辊上，得到较厚的塑料片材。快速冷却可以使聚乙烯熔体迅速凝固为无定型态，抑制聚乙烯的结晶，促进固态聚乙烯与白油的相分离，并且把白油锁在片材里防止流失。这个把塑料熔体铸成片材的过程被称为“铸片”，又因为塑料熔体在冷却辊上流淌延伸成膜，因而也被称为“流延”。

500

在加热条件下，对厚塑料片进行纵横两个方向的拉伸，除了把厚度拉薄、尺寸拉大之外，拉伸还起到使聚乙烯分子链定向排列、使白油液滴在聚乙烯分子网络中均匀分布的作用，即调控孔隙的大小、形状和分布。（上面动图中生产线正处于调试阶段，拉伸后的薄膜被人工收取）

500

在拉伸过程中，为了保证均匀性，薄膜不与辊筒接触，而是用两侧的链铗来夹持、牵引薄膜。

此时薄膜已基本成型，但其中的孔隙仍然被白油所占据，需要用溶剂把白油萃取出来（下图为萃取槽）。

500

白油不溶于水和乙醇，因此使用二氯甲烷（CH2Cl2）作为溶剂。二氯甲烷是有毒的，好在它不溶于水且密度比水大，只需在二氯甲烷液面上方注一层水，就可以起到水封的作用，防止二氯甲烷蒸气逸出。

500

薄膜在萃取槽的辊筒间穿行，其中的白油溶入二氯甲烷中，使得薄膜中的孔隙打开，而聚乙烯不会溶解。溶解了白油的二氯甲烷经蒸馏后循环使用，从中分离出的白油经净化后也可以再次使用。

500

萃取得到的多孔膜还要再经受一次小幅度的横向拉伸，使孔径更加均匀，让聚乙烯分子链的取向更加有序，从而提高强度。再经过热定型（使薄膜加热后处于松弛状态），释放应力，提高隔膜的尺寸稳定性。

500

在生产过程中，要用激光测厚仪对薄膜厚度进行实时在线监测（在薄膜上下两侧各设置一个探头，分别向薄膜上下表面发射激光，测量薄膜上下表面到探头的距离，从而计算出膜厚）。

为了进一步提高隔膜的性能，如隔膜对电解液的浸润性、抗穿刺强度、抗热收缩的能力等，还需要在聚乙烯薄膜上涂布改性材料，如PVDF（聚偏二氟乙烯）、芳纶等高分子材料和氧化铝、勃姆石（AlOOH）等陶瓷粉末。

500

把宽幅薄膜分切成客户所需的尺寸，收卷，得到成品锂电隔膜卷。

隔膜是锂电池中不可或缺的关键材料，占电池材料成本的25%左右，具有较高的技术含量。

令人欣喜的是，早在2017年，我国锂电隔膜和正极材料、负极材料、电解液这四大材料的国产化率就已超过90%。

在隔膜生产设备方面，干法隔膜生产设备已经基本完成国产化，湿法隔膜生产设备的国产化率较低，对国外厂商的依赖性较大，但国内厂商也在推进国产化布局。

在隔膜所需的聚乙烯、聚丙烯专用原料方面，由于对材料的结构和性能有很高的要求，我们的国产化之路仍然漫长，2020年时国内只有中石化扬子石化和南京塞拉尼斯（美资）生产聚乙烯专用料、中石油独山子石化和中国兵器工业辽宁华锦生产聚丙烯专用料，每年聚乙烯和聚丙烯专用料的进口量均超过万吨。期待着有朝一日，我们能够把关键原料和设备都牢牢掌握在自己手中。

相关阅读：

500