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1、鈉電池之隔膜

隔膜是鈉電池的四大主要材料之一，作為絕緣層和半透層，是鈉電池不可或缺的核心組件。

良好的隔膜應(yīng)具有豐富的孔洞結(jié)構(gòu)、均勻的孔徑分布、合適的厚度、達(dá)標(biāo)的機(jī)械強(qiáng)度、合適的孔隙度、良好的熱傳導(dǎo)性和碘化學(xué)穩(wěn)定性，有助于促進(jìn)鈉離子傳導(dǎo)。PP膜、PE膜由于耐腐蝕性強(qiáng)、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用鋰電池中。由于鈉電池技術(shù)與鋰電池一脈相承，所以目前鈉電池基本沿用鋰電池隔膜。

2、鈉離子隔膜的類型及性能要求

1、類型

目前，鈉離子隔膜的類型主要包括聚合物隔膜和無機(jī)固體電解質(zhì)隔膜。

聚合物隔膜: 聚合物隔膜由聚合物材料構(gòu)成，具有較好的柔韌性和離子傳輸性能。聚合物隔膜在鈉離子電池中廣泛應(yīng)用，可以通過控制孔徑和改變化學(xué)結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)優(yōu)化。

無機(jī)固體電解質(zhì)隔膜: 無機(jī)固體電解質(zhì)隔膜由具有高離子導(dǎo)電性的無機(jī)材料構(gòu)成，如氧化物、磷酸鹽等。這些隔膜具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性和耐高溫性能，但由于剛性較大，需要克服其脆性和阻擋性能等挑戰(zhàn)。

2、性能要求

鈉離子隔膜需要具備一系列的性能要求，以確保電池的高效運(yùn)行和安全性。

離子傳輸性能: 隔膜應(yīng)具備較高的鈉離子傳輸速率和低的電阻，以提供良好的電池性能。

機(jī)械強(qiáng)度和柔韌性: 隔膜應(yīng)具備足夠的機(jī)械強(qiáng)度，能夠抵抗電池循環(huán)過程中的應(yīng)力變化，同時(shí)具備一定的柔韌性，以適應(yīng)電池的變形和膨脹。

化學(xué)穩(wěn)定性: 隔膜應(yīng)具備良好的化學(xué)穩(wěn)定性，能夠抵御電解液中的化學(xué)反應(yīng)和電池環(huán)境中的腐蝕。

熱穩(wěn)定性: 隔膜應(yīng)具備良好的熱穩(wěn)定性，以避免在高溫條件下發(fā)生膨脹、變形或熔化。

新材料的涌現(xiàn): 新型聚合物材料、納米復(fù)合材料和多孔材料等在鈉離子隔膜領(lǐng)域得到廣泛研究，以改善離子傳輸速率、機(jī)械性能和化學(xué)穩(wěn)定性。

結(jié)構(gòu)優(yōu)化: 隔膜的微觀結(jié)構(gòu)和孔徑分布的優(yōu)化研究，以提高離子傳輸效率和機(jī)械強(qiáng)度。

多功能隔膜: 開展功能化隔膜的研究，如具有自愈合性能、阻燃性能和防止極化的隔膜等。

3、鈉離子電池適用的隔膜

目前已商業(yè)化的電池隔膜主要有聚乙烯（PP）和聚丙烯（PP）隔膜，其擁有優(yōu)異的機(jī)械性能、化學(xué)穩(wěn)定性以及低廉的價(jià)格，然而由于固有的缺點(diǎn)，其熱穩(wěn)定性差，對鈉離子電池電解液的潤濕性能也很差，不太適用于鈉離子電池，因此，需要尋找新的可以與鈉離子電池體系匹配的隔膜顯得尤為重要。

發(fā)展低成本、高安全、可大規(guī)模生產(chǎn)的鈉離子電池隔膜值得探討。需要探究隔膜中孔分布與電解液浸潤之間的關(guān)系；而隔膜中多孔結(jié)構(gòu)的分布會(huì)直接對其機(jī)械強(qiáng)度產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響隔膜對正負(fù)極的隔離作用，對電池的安全性產(chǎn)生影響。此外，極端條件下隔膜的性質(zhì)，如高溫下的收縮性、低溫下的脆性等，都是影響應(yīng)用范圍的重要因素。

鈉離子電池隔膜的市場主流類型包括超高分子量聚乙烯隔膜、聚丙烯隔膜和非織造布類復(fù)合隔膜。國內(nèi)對鈉離子電池隔膜材料的研究相對較少，主要集中在聚烯烴類復(fù)合隔膜、玻璃纖維濾紙型隔膜、有機(jī)聚合物無紡布型隔膜。

其中玻璃纖維濾紙型隔膜是一種無機(jī)材料制成的纖維隔膜，由于價(jià)格昂貴、材質(zhì)較厚、拉伸強(qiáng)度低，目前大部分應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室和小規(guī)模中試階段；聚烯烴類復(fù)合隔膜和有機(jī)聚合物無紡布型隔膜已經(jīng)規(guī)?；慨a(chǎn)，在安全性方面已得到檢驗(yàn)，但是這兩種材質(zhì)在熱穩(wěn)定性方面和電解質(zhì)融合方面還有待進(jìn)一步探索。

1、非織造布/無紡布類復(fù)合鈉離子隔膜

非織造布類復(fù)合鈉離子隔膜具有熱穩(wěn)定好、孔隙率好、改性容易等特點(diǎn)備受關(guān)注。常見的非織造布隔膜材質(zhì)包括聚酰亞胺(PI)、聚酯膜、纖維素膜、聚酰胺膜、芳綸膜、氨綸膜等。

該類隔膜可以使用有機(jī)纖維干法熔噴法和濕法鋪設(shè)，最佳方法是使用靜電紡絲。通過控制壓力能夠有效控制非織造布類電池隔膜的孔徑大小，有助于電池的安全性。非織造布類電池隔膜的滲透性和吸收率均優(yōu)于常規(guī)高分子類聚烯烴電池隔膜。

2、高分子類聚烯烴鈉離子隔膜

目前商用最為廣泛的是高分子聚烯烴復(fù)合隔膜，改性材料具有力學(xué)強(qiáng)度高、化學(xué)穩(wěn)定性好、潤濕程度高和價(jià)格低廉的特點(diǎn)。良好的隔膜應(yīng)具有豐富的孔洞結(jié)構(gòu)、均勻的孔徑分布、合適的厚度、達(dá)標(biāo)的機(jī)械強(qiáng)度、合適的孔隙度、良好的熱傳導(dǎo)性和碘化學(xué)穩(wěn)定性，有助于促進(jìn)鈉離子傳導(dǎo)。PP膜、PE膜由于耐腐蝕性強(qiáng)、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用鋰電池中。由于鈉電池技術(shù)與鋰電池一脈相承，所以目前鈉電池基本沿用鋰電池隔膜。目前，商業(yè)化鋰電池隔膜主要是聚乙烯（PE）隔膜、聚丙烯（PP）隔膜以及PE和PP復(fù)合多層微孔膜。

3、其他高分子鈉離子電池隔膜

還有一種基于雙基體包封滲透(DMEP)的新型高分子離子電池隔膜及其制備方法。該方法采用同軸噴嘴以一定的噴射速率比控制溶液的輸出，紡絲后實(shí)現(xiàn)DMEP，一次性解決了膜的高孔隙率和強(qiáng)拉伸性能之間的矛盾。聚丙烯腈(PAN)基體包覆在纖維表面，DMEP膜具有較好的表面潤濕性、較好的電解質(zhì)吸收率和較好的孔隙率，薄膜的抗拉強(qiáng)度和斷裂應(yīng)變也相應(yīng)提高。

這一結(jié)果是基于纖維的雙基體PAN和聚乙烯醇(PVA)的不規(guī)則相互穿透和纖維之間的多點(diǎn)結(jié)合。DMEP膜具有良好的離子電導(dǎo)率(1.77 mS/cm)、熱穩(wěn)定性(270 ℃)和電化學(xué)性能。良好的力學(xué)性能、離子電導(dǎo)率和電化學(xué)性能表明DMEP復(fù)合隔板具有較大應(yīng)用的潛力。

4、纖維素紙鈉離子電池隔膜

聚烯烴微孔隔膜具有較好的電化學(xué)和化學(xué)穩(wěn)定性，但其熔點(diǎn)低、熱穩(wěn)定性差，在高溫條件下易發(fā)生熱收縮，導(dǎo)致電池短路甚至發(fā)生安全事故。為了不影響電池電化學(xué)性能并得到具有較高熱穩(wěn)定性的鈉離子電池隔膜，采用纖維素紙制備復(fù)合鈉離子電池隔膜。

纖維素紙是一種吸附性良好的多孔材料，具有綠色環(huán)保、成本低且可回收的特點(diǎn)。采用纖維素紙隔膜（CP隔膜）組裝電池并在進(jìn)行測試發(fā)現(xiàn)，CP隔膜沒有對正極的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生不利影響，同時(shí)使電池表現(xiàn)良好的電化學(xué)性能。

5、玻璃纖維鈉離子隔膜

目前使用的鈉離子電池隔膜中，玻璃纖維隔膜僅停留在實(shí)驗(yàn)室使用，原因之一是這種隔膜的力學(xué)強(qiáng)度差，造成了玻璃纖維隔膜難以在工業(yè)中大范圍推廣。但是玻璃纖維隔膜具有非常好的孔洞大小和孔隙率，對鈉離子電池的性能影響很大。今后玻璃纖維隔膜需克服力學(xué)強(qiáng)度差的問題，以促進(jìn)鈉離子電池發(fā)展。

4、鈉電池隔膜的未來發(fā)展趨勢

1、安全性第一位

鈉離子隔膜的首要作用就是隔斷正負(fù)極之間的連接，保證電池內(nèi)部不發(fā)生短路，任何條件下，不發(fā)生短路是鈉離子電池隔膜的重要任務(wù)。鈉離子通過隔膜發(fā)揮作用，需要確保隔膜不會(huì)隨著電池的使用發(fā)生任何化學(xué)變化，比如隨著使用溫度的升高、電解液的濃度變化等而對隔膜產(chǎn)生影響。在今后鈉離子電池隔膜發(fā)展中要確保安全性第一位，即探索高安全性鈉離子電池隔膜將成為今后研究和發(fā)展的重點(diǎn)。

2、化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)

目前鈉離子電池隔膜絕大多數(shù)是聚合物高分子有機(jī)材料，而隔膜在使用中相當(dāng)于要“浸泡”在電解液中使用。各類電解液大多數(shù)也是有機(jī)化合物，如醚類或者酯類有機(jī)電解液，根據(jù)“相似相容”原理，有機(jī)高分子隔膜遇到有機(jī)類電解液極有可能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而影響了整個(gè)電池的穩(wěn)定性。隔膜在選擇高分子基底材料時(shí)一定要考慮和電解液的兼容性問題，做到“相似不相容”。同時(shí)隔膜也不會(huì)對電解液產(chǎn)生副作用，比如對電解液的污染等等，確保具有穩(wěn)定的化學(xué)性能特征。

3、孔隙率及孔徑大小恰當(dāng)

所有的隔膜都是微孔和絕緣材料，都具有一定的孔徑，這個(gè)孔徑和孔隙率需要?jiǎng)偤媚軌蛲ㄟ^鈉離子?？讖竭^小會(huì)阻礙鈉離子傳輸，造成電化學(xué)性能下降甚至無性能；孔徑過大則有可能造成正負(fù)極顆粒材料穿過孔洞，也會(huì)造成電池電化學(xué)性能嚴(yán)重下降。在保證孔徑恰當(dāng)?shù)耐瑫r(shí)，要使隔膜的孔洞保持均勻分布，即具有良好的孔隙率。分布不均衡會(huì)造成電流密度不均勻，容易形成鈉枝晶。

4、力學(xué)強(qiáng)度增強(qiáng)

目前使用的鈉離子電池隔膜中，玻璃纖維隔膜僅停留在實(shí)驗(yàn)室使用，原因之一是這種隔膜的力學(xué)強(qiáng)度差，造成了玻璃纖維隔膜難以在工業(yè)中大范圍推廣。但是玻璃纖維隔膜具有非常好的孔洞大小和孔隙率，對鈉離子電池的性能影響很大。今后玻璃纖維隔膜需克服力學(xué)強(qiáng)度差的問題，以促進(jìn)鈉離子電池發(fā)展。

5、熱穩(wěn)定性變化小

當(dāng)高分子鈉離子電池隔膜應(yīng)用在鈉離子電池中時(shí)，隨著溫度的變化，高分子隔膜的熱穩(wěn)定性變化非常小，意味著高分子鈉離子電池隔膜的熱穩(wěn)定性越來越好。這是今后高分子鈉離子電池隔膜發(fā)展的一個(gè)顯著特點(diǎn)，只要熱穩(wěn)定性隨溫度變化能夠得到很好的控制，那么鈉離子電池隔膜的其他性質(zhì)也會(huì)同時(shí)得到大幅度提升和改善。

6、成本越來越低

目前市場上還是以鋰離子電池為主，鈉離子電池主要集中在科學(xué)研發(fā)階段，在科學(xué)研發(fā)中大部分都使用的是玻璃纖維隔膜，這種隔膜的缺點(diǎn)非常明顯，就是機(jī)械強(qiáng)度差，價(jià)格高昂，限制了玻璃纖維隔膜在市場上大范圍推廣。未來隔膜市場在成本上需要得到大幅度控制。目前鋰離子電池中大量使用的是高分子聚合物隔膜，其最大的優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格較低，如果能夠控制好高分子聚合物隔膜的孔洞大小和孔隙率，那么其在今后鈉離子隔膜市場化過程中必將發(fā)揮重要的作用。