鋰電池隔離膜發展趨勢與近況

刊登日期:2015/3/5
  • 字級

鋰離子電池是目前最廣為使用的儲能系統,尤其是電子手持裝置的部分,例如筆記型電腦、數位相機及手機,全球市場超過百億美元。更重要的是,鋰離子電池擁有多項優勢,是目前最有機會應用在電動車動力來源及智慧電網等大尺度儲能裝置的技術,這些優勢包括優異的能量密度( High Energy Density )、沒有記憶效應( No Memory Effect )、循環壽命長( Long Cycle Life )以及低自放電(Low Self-discharging)。

基本的鋰電池設計包含四個基本成分,分別為正極、負極、電解液及隔離膜,其排列方式如圖一所示。隔離膜是放置於兩極中間,最主要的功能為避免兩極接觸並確保離子可以在其中傳遞。雖然隔離膜沒有參與電化學反應,但是其結構及性質會影響到鋰電池的效能,例如循環壽命、安全性、能量密度、功率密度及電池厚度等。 

隔離膜的需求
鋰電池使用時會不斷的進行充放電,處在頻繁進行氧化還原反應的環境之中,隔離膜必須對於電解液及電極物質有良好的穩定性,不能在使用中釋放出會影響電池功能之物質。離子是藉由隔離膜中吸滿電解液的孔隙來進行傳遞,因此電解液對隔離膜的濕潤性( Wettability )是非常重要的,隔離膜必須儘量吸收電解液,並儘可能讓電解液充滿連通的孔道,藉此達到較低的內部阻抗( Internal Resistance ),也提高離子傳導率( Ionic Conductivity )。此外,隔離膜吸取電解液的速度也很重要,由於鋰電池的組裝是先將正負極與隔離膜捲繞(或是堆疊)於罐體中,再注入電解液,一個能迅速吸飽電解液的隔離膜,可以提升鋰電池組裝的方便性。基本上,隔離膜的濕潤性是取決於所選用材質的特性、孔隙度及孔徑大小。


圖二、不同材料熱閉孔行為比較

隔離膜的結構與特性
隨著技術的發展, 衍伸出很多不同型態的隔離膜,根據不同的組成及結構大致上可以分成四大類1.微孔隙薄膜;2.改質薄膜;3.不織布;4.複合薄膜。微孔隙薄膜,顧名思義即是孔隙尺寸小於微米等級的薄膜,此類隔離膜可以再細分為單層( Monolayer )或是多層( Multilayer )孔隙膜。改質薄膜是將上述微孔隙薄膜透過表面處理增進效能,常見的處理方法是以電漿、輻射或是塗佈方式將不同之高分子接枝在表面。不織布隔離膜具有交織的網狀結構,由許多纖維相互交纏而成,製作方式大多是利用熔噴( Melt Blown )、濕式法( Wet Laid )或是電紡絲( Electrospinning )。相較於其他種類隔離膜,不織布隔離膜通常擁有較高的孔隙率。複合薄膜是利用塗佈或填充方式將無機物質導入微孔隙薄膜或不織布薄膜,此系列的隔離膜通常在熱穩定性及濕潤性方面有很傑出的表現。

1. 微孔隙薄膜
最常見的微孔隙薄膜通常是聚乙烯、聚丙烯或由兩者複合而成,例如 PP/PE 或 PP/PE/PP。也有少數由其他半結晶高分子材料構成,如Poly(4-methyl-1-pentene)、Polyoxymethylene、PE-PP Blend 等。微孔隙薄膜主要可以分為乾式法及濕式法兩種量產方法。這兩種方法基本上都是經由押出製程將高分子熔融形成薄膜,再以延伸方式製造適合之孔隙。這兩種製程所生產的隔離膜可以由孔隙型態來辨別,若是以乾式製程製作的孔隙會是撕裂狀,而濕式製程的孔隙則呈現橢圓型態,在圖三可以清楚的比較此兩種孔隙型態的差異。

4. 複合薄膜
以物理或化學方式引入無機材料形成複合薄膜,對於隔離膜效能的提升有非常大的幫助,已經廣為使用的無機材料有氧化鋁( Aluminum Oxide; Al2O3 )、二氧化矽( Silicon Dioxide; SiO2 )、二氧化鈦( Titanium Dioxide; TiO2 ),以及碳酸鈣( Calcium Carbonate;CaCO3 ),主要用來增進隔離膜的高溫穩定性、電解液濕潤性,以及離子導電度。製作手法大致分為1.無機顆粒塗佈複合膜;2.無機顆粒填充複合膜。

無機顆粒塗佈複合膜的基本方式是利用親水性的黏合劑將奈米尺度的無機顆粒塗佈到微孔隙膜表面,進而增加隔離膜的熱性質與濕潤性。例如將 SiO2、Al2O3 及 ZnO 塗佈到聚丙烯微孔隙膜表面,可以有效吸收隔離膜中的不純物,進而提升了……以上內容為重點摘錄,如欲詳全文請見原文。


圖九、無機顆粒塗佈於複合薄膜示意圖

作者:李治宏、龔丹誠/工研院材化所
 ★完整內容請見下方檔案。


分享
為此篇文章評分

相關廠商