第一作者：Marie Francine Lagadec
通訊作者：Vanessa Wood
通訊單位：瑞士蘇黎世聯邦理工學院
核心內容：
1.闡述了鋰離子電池隔膜的基本結構和離子傳遞原理
2.剖析了鋰離子電池隔膜對離子傳遞的影響
3.總結了鋰離子電池隔膜的表征方法
在配備液態電解質的鋰離子電池中，隔膜是一個很奇妙的東西。它不是活性單元，卻又必不可少，對鋰離子電池中的離子傳遞、倍率性能、壽命和安全等諸多性能都影響頗深。隨著對隔膜本身以及隔膜與電解質之間的相互作用的認識的不斷加深，科研人員認識到，提高隔膜性能，將極大地提高鋰離子電池的性能，以滿足日益增長的需求。
有鑒于此，瑞士蘇黎世聯邦理工學院Vanessa Wood課題組綜述了鋰離子電池隔膜的表征方法和性能評價方法，尤其從隔膜的結構和化學的角度闡述了其對鋰離子電池的影響，深入探討了所存在的構效關系。
鋰離子電池的基本結構
目前，商業化鋰離子電池主要由正極、負極、隔膜、電解質以及集流器組成。多孔結構的正負電極被金屬集流器層壓在中間，并由隔膜隔開。大部分鋰離子電池隔膜由半晶態的PE或PP形成的聚烯烴材料，厚度<25μm，孔隙度大約40%。在多孔電極和隔膜的空隙處，充滿了電解質。隔膜主要起到兩個作用：
1）隔離正負極，防止短路；
2）確保鋰離子在充放電過程中通暢地傳遞。
圖1. 鋰離子電池中的隔膜結構示意圖
鋰離子電池隔膜中的離子傳遞原理
由于離子在電解質中的傳導能力是有限的，因此，在放電過程中會產生電壓損失，在充電過程中就必須增加額外的電壓來驅動離子電流，這種電壓的差別被稱為電解質阻抗過電位。離子電導率越低，電流越大，這種電解質阻抗過電位就越大。而這種大過電位則抑制了電池的理論電壓和比容量，并因為發熱最終導致電池性能衰退和鋰析出。
研究表明，離子導電率深受鹽濃度的影響，因此，過電位的大小實際上取決于電解質中鹽濃度的高低，尤其是在離子濃度較高（?2.5 M）和較低（?0.5 M）的區域急劇增變大。
有限元分析軟件COMSOL模擬對于理解離子濃度和傳遞數量對電池性能影響起到了重要幫助。COMSOL模擬表明，隔膜中電解質導電性的提高和遷移數量的增加有助于提高鋰離子電池的整體性能，尤其是在高電流速率的情況下。
除此之外，鋰離子的均勻傳遞降低了不完全鋰化和脫鋰的風險，并避免過度充電，對于提高電池壽命和安全性也至關重要。
表1.常見鋰離子電池隔膜參數
鋰離子電池隔膜對離子傳遞的影響
隔膜對鋰離子電池的影響除了在于離子傳遞之外，很大程度上還受隔膜與電解質之間的化學相互作用左右。其影響可以歸納為三個類別：
1）隔膜結構：孔隙度、孔尺寸、孔彎曲度、透過性等
2）隔膜化學：表面功能化、表面自由能、介電透過性、楊氏模量等
3）電解質化學：黏度、傳遞數量、介電透過性、表面自由能等
圖2. 鋰離子電池隔膜和形貌的構效關系
鋰離子電池隔膜的表征方法
作者從是三個角度總結了鋰離子電池隔膜的表征方法：
1）隔膜結構表征
2）隔膜表面-電解質相互作用表征
3）隔膜性能對電池動力學影響的表征
表2. 鋰離子電池隔膜常用表征手段
小結
不是活性材料，勝似活性材料，對于隔膜的理解和性能提升，或許需要更多不同學科的人來一期努力。畢竟其他新興電池材料離真正大規模應用還遠，先把鋰離子電池的問題吃透也不失為一件美事！
參考文獻：
MarieFrancine Lagadec, Raphael Zahn, Vanessa Wood.Characterization and performanceevaluation of lithium-ion battery separators. Nature Energy 2018.
https://www.nature.com/articles/s41560-018-0295-9
