一般電池主要包含了活性物質（正極、負極）、電解液、隔離膜及罐體等部分，由於電極產生的離子可以在電解液中流通產生電流，基本上是由化學能轉換成電能的裝置。若將電池以功能性來區分，可分為一次電池(Primary Battery)與二次電池(Secondary Battery)，由於二次電池有較多的安全性與功能性要求，因此二次電池對隔離膜的要求較高。兩年前Sony 公司出產之電池，因內部短路引發筆記型電腦燃燒事件震驚全球，使得Sony 公司回收數款電池造成重大損失，在小型電池所引起的安全問題即如此受重視，因此在大型鋰電池之安全問題就更顯得重要。近年來電子產品及運輸器具蓬勃發展，對其中動力供給的需求也更加殷切，造成鋰電池供給的迅速成長，而這些系統廠期待電池業者能提供更高能量、功率、穩固及安全的電池；但通常提高電池的能量密度會伴隨提升電池因短路造成過熱及燃燒之風險。
隔離膜在鋰電池中扮演關鍵性的角色，其介於正極與負極之間以防止電極產生物理性的電接觸，而允許自由離子可於其間通過，電子流則被隔絕以防止短路發生。隔離膜主要是由高分子薄膜或是不織布(Non-woven)纖維材料所構成之多孔結構。實質上，它必須對於電解液或是電極材料具有化學以及電化學穩定性；並且必須具有一定的機械強度，使其能忍受電池於組裝過程中的高張力強度。就結構上而言，隔離膜需具有足夠的孔隙度來吸收電解液， 以維持較高的離子傳導度(IonicConductivity)。然而，隔離膜會增加電子阻抗，以及佔據電池中可利用的空間等不利於電池表現的因素。因此，隔離膜的選擇在電池表現上（如能量密度、功率密度，循環效能以及安全性等）扮演著重要的角色。對於高能量以及高功率密度的電池需求而言，在一定的機械強度要求下，其厚度須非常薄且具有高孔隙度。在電池安全性的考量下，隔離膜須能在電池溫度上升時啟動閉孔機制，以防止電池熱爆走(Thermal Runaway)發生，引起電池爆炸。然而隔離膜可能因電池裝過程中引入不當顆粒，或樹枝狀鋰生成刺穿隔離膜，或因電池異常使用造成內部局部短路、過熱而引起爆炸。
鋰電池中對於隔離膜的要求
隔離膜並不參與電池中所進行的任何反應，然而基於其結構與特性對於電池性能所產生之直接影響，在選擇隔離膜時需考慮到以下幾點：1.對電解液具耐化學性；2.對電極具耐電化學性；3.厚度；4.孔隙度(Porosity)；5.孔隙尺寸(Pore Size)；6.滲透性(Permeability) - Gurley No., McMullin No.；7.機械強度，足夠之拉伸強度(Tensile Strength)及穿刺強度(Puncture Strength)； 8.潤濕性(Wettability)；9.熱收縮率(Shrinkage)；10.熱閉孔(Thermal Shutdown)；11.熱熔裂(Meltdown or High Temperature Melt Integrity)；12.開孔結構(Open Pore)，避免電解液中或電極表面之金屬顆粒之電架橋(Electronic Bridging)效應；13.具離子導電度而非電子導電度；14.均勻的孔洞，以避免金屬顆粒之沈積；15.價格。
隔離膜技術現況
目前商用隔離膜材質多為聚烯烴(Polyolefin)，如聚乙烯(PE) 或聚丙烯(PP)為主，隔離膜用於鋰離子電池的電池厚度一般在10~40 μm範圍，孔洞大小則分布在30~200 nm 之間， PE 隔離膜約在90~130°C 間閉孔，而PP 隔離膜則在165°C 左右閉孔，當電池內部溫度高過材質之熔點時，隔離膜會熔化收縮導致極板接觸短路，同時引發極板與電解液間之劇烈放熱反應，造成電池爆炸。為防止上述情形發生，開發出更具安全性的先進隔離膜來提升電池安全性，是極為重要的。
近年來隔離膜生產廠商亦開發了數種先進之隔離膜來提升電池之安全性，如Celgard 公司開發三層隔離膜(PP/PE/PP) （圖一），藉由中間PE 層在130°C 左右閉孔，並由PP 層在165°C 前仍能保持機械強度及尺寸安定性。但其缺點是孔隙度過低、對部分電解液潤濕性不佳、及熱安定性侷限在165°C 以下。Tonen Chemical Nasu 公司與ExxonMobili's Affiliate 合作開發新材質的隔離膜，可提升熱安定性至185°C，同時保有良好之機械強度。德國Degussa 公司使用PET 不織布材質作為基材，塗佈奈米陶瓷顆粒形成隔離膜（圖四），可提升熱安定性至260°C ，同時對電解液有相當好之潤濕性，但此種隔離膜機械強度不佳是其缺點。Matsushita Battery Industrial(MBI)公司推出熱阻層(Heat Resistance Layer)技術電池，提升鋰電池之安全性，在極板與隔離膜中間加入一層金屬氧化物層（圖五），當電池被異物刺穿造成局部短路時，藉由熱阻層防止聚烯烴隔離膜過熱收縮，造成正負極極板短路引起爆炸。因此，利用隔離膜不同的特性進行複合應用，或在隔離膜上添加化學物質進行修飾，以改善其機械性及熱安定性將是未來鋰電池朝更高能量或功率密度設計的必然趨勢。
圖一、Celgard公司開發之三層隔離膜(PP/PE/PP)
圖四、德國Degussa 公司之奈米陶瓷顆粒塗佈隔離膜
圖五、Matsushita Battery Industrial (MBI)公司推出之熱阻層(Heat Resistance Layer)隔離
隔離膜修飾對於電池性能及安全性影響評估
為了評估隔離膜修飾之後對於電池性能的影響，我們將含浸PVdF (Polyvinylidene Fluoride)之後的PE 隔離膜廠商樣品組成LiNiCoAlO2/C 鋁箔包（400 mAh）全電池進行電性測試，並與一般之聚烯烴隔離膜結果進行比較。圖六為含PVdF 修飾及一般隔離膜全電池之放電能力，由圖可知電池採用PVdF 修飾隔離膜可提升電池之放電能力，在5C 條件下PVdF 修飾隔離膜可提升約20% 放電能力(84% vs. 64%)。
在陶瓷奈米顆粒修飾隔離膜表現方面， 我們則以修飾之後的隔離膜組成LiCoO2/MCMB 18650 全電池(850 mAh)，並與未修飾之隔離膜比較其電池循環壽命，結果如圖八所示。結果顯示陶瓷奈米顆粒修飾隔離膜具有較佳之放電能力，在較嚴苛測試條件下(1C/3C)比傳統隔離膜具有較佳之循環壽命（在一般條件1C/1C 兩種隔離膜電池之循環壽命並無差異）。
在電池安全性之提升方面， 我們以電池的過充(Overcharge)測試來評估電池的安全性，其測試條件皆為1C~6.5V 。由圖九可看出以聚烯烴隔離膜組成之全電池無法通過過充測試，在過充約1.1 小時後電池爆炸燃燒，溫度達700°C 以上。然而陶瓷奈米顆粒修飾隔離膜之電池經過6 小時1C 過充試驗之後，電池表面溫度仍低於60°C ，電壓仍低於5V ，顯示此陶瓷顆粒修飾隔離膜在過充過程中可藉由某種管道有效消耗過充能量，進而提升電池防止過充的能力。
圖六、以PVdF 修飾之隔離膜及聚烯烴隔離膜所組成之LiNiCoAlO2/C鋁箔包全電池之放電能力
圖八、以陶瓷奈米顆粒修飾隔離膜及聚烯烴隔離膜所組成之LiCoO2/MCMB 18650 全電池之室溫循環壽命
隔離膜修飾技術
除評估商用功能性隔離膜對鋰電池性能的影響外，工研院材化所亦著手開發隔離膜修飾技術以提升電池之功能性。在高功率鋰電池應用場合中，隔離膜需藉著高溫及機械性能安定性的提升來增加電池的安全性，並藉由表面修飾來增進隔離膜與電解液之間的潤濕性；此外，隔離膜與極板的緊密接觸亦可提升電池之放電能力及循環壽命。我們利用塗佈法將奈米陶瓷顆粒接合到素材上，來提升電池的安全性，為符合HEV 高功率的需求，素材的孔隙度要高(>50%)，同時必須留意彌補因塗佈造成的孔隙度降低。塗佈方式為利用特殊設計的浸泡式塗佈機將隔離膜通過漿料，控制合適厚度乾燥成型而得到修飾隔離膜。詳細的實驗方式及結果請連結至本文。
隨著電動車與電動手工具的普及，對於電池的需求量也相對提升，目前對於鋰電池除了電容量、循環壽命等性能的需求提高外，安全性的考量也日益提升，目前國內外正由不同的研究主軸（如電極材料與電解液等）來解決這些問題，而隔離膜於鋰電池中扮演著重要的角色，功能性隔離膜的發展正是朝著提高電池安全以及性能這兩個目標來進行，期待藉由隔離膜的進步使電池安全性提升，進而增加鋰電池應用面的廣度。
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作者：工研院材化所/張國馨、 Dmitry Belov、謝登存
★本文節錄自「工業材料雜誌260期」，更多資料請見：https://www.materialsnet.com.tw/DocView.aspx?id=7098