次世代鋰電池隔離膜發展與未來趨勢：材料世界網

陳奕璋、呂明怡、楊長榮 / 工研院材化所

近期商用市場針對提升電池的安全性和性能，開發多樣化/功能化隔離膜，從開發新材料、設計新製程方法，到優化先進的製備工藝都有相關報導。其分別依據不同種類市場需求，探討功能性隔離膜開發的方向，也從提升電池安全性和性能的目標，展開不同種類隔離膜的設計策略，以滿足不同電池的安全需求。市調報告指出，在電動車風潮與電子產品消費增長的驅動下，鋰電池隔離膜市場於2022年至2026年間預計增長21.1億美元，複合年增長率為11%。隔離膜作為物理屏障來防止兩個電極直接接觸並控制電池中的離子傳輸，改質後的隔離膜用於電池元件更可抑制鋰枝晶並耐高溫。本篇針對抑制鋰枝晶、耐高溫與高浸潤，整理幾種可行的策略，包括提供機械屏障、促進均勻的鋰沉積和調節離子傳輸等。

【內文精選】

隔離膜製造工藝

隔離膜基膜製作可分濕式和乾式兩大類。鋰離子電池隔離膜生產技術包括原料配方及快速配方調整、微孔製備技術、成套設備自主設計。奈米孔製備技術是鋰離子電池隔離膜製備工藝的專業核心，主要可分為乾法拉伸和濕法拉伸兩種，而乾法中又可分為單向拉伸與雙向拉伸兩種方式。

乾式隔離膜安全性高、成本低，因此多用於大型磷酸鐵鋰動力鋰電池；濕式隔離膜由於其厚度更薄、孔隙率更高、孔徑均勻性更高，因此透氣性更高。與濕式隔離膜相比，乾式隔離膜在機械性能、離子通透性和耐化學電解液性能方面具有一定的優勢，在能量密度高的三元電池中使用廣泛。

隔離膜的設計：鋰離子電池隔離膜的特性及技術要求

1. 隔離膜安全性

在考慮電池應用時，安全是最重要的考慮因素。鋰電池中最常見的安全性問題為鋰枝晶，鋰枝晶的生成與電解液及隔離膜有強大關連。電池因溫度變化大而提升阻抗，使用功能性隔離膜，可降低以上問題的發生。功能性隔離膜可捕捉過渡元素析出，同時抑制鋰枝晶生長，進而維持電解液穩定性，降低阻抗。功能化隔離膜提高安全性能為鋰電池創造新的契機。

2. 影響安全性的因素

(1) 鋰金屬電池的降解

鋰枝晶會導致鋰離子消耗並造成能量輸出減少，為避免鋰枝晶生長與功能性隔離膜的材料發生反應，可透過功能性隔離膜逐層設計結構來調整。例如，二氧化矽可製備成奈米粒子塗佈，當鋰枝晶生長並穿透隔離膜，二氧化矽可與鋰反應阻止枝晶生長，從而延長電池壽命；鋰若與二氧化矽搭配塗覆，可避免樹突穿刺到外層，同時可增強鋰電池的機械性能；若使用Al2O₃和奈米碳管(CNTs)來塗覆Li-S隔離膜，Al2O₃可捕獲多硫化物避免硫化物讓電解液變質，同時CNT可提升隔離膜的機械性能與改善物理性質來限制鋰枝晶的生長。

(2) 隔離膜形態學

建構具有功能性的隔離膜可減緩化學反應消耗鋰離子，進而提升電池效率。調整隔離膜的孔徑和分布將可調控鋰離子流動的局部通量，促使電池內鋰離子傳輸的擴散速度更快且通量均勻，同時抑制鋰枝晶的生長。使用奈米纖維絲技術可製造具有潤濕性的隔離膜，有利於形成「軟」鋰枝晶，其機械力強度不足以穿透隔離膜。以下提供三種策略可以避免鋰枝晶生成：①篩選減緩電化學副反應同時捕捉特定離子的材料；②提供高機械力強度的材料；③設計特殊奈米微結構孔隙分布的材料，未來可應用於其他類型電池(例如鈉電池或是固態電池)的材料設計，以解決枝晶問題。

工研院開發無機物木質纖維複合隔離膜

工研院材料與化工研究所針對功能性隔離膜提出包括：①改質材料提高隔離膜電解液浸潤、②建構奈米微離子通道避免鋰枝晶、③建構奈米纖維絲避免過渡金屬析出等策略(圖三)，透過改質隔離膜基底材提升電池浸潤性與安全性。