鋰離子電池因其高能量密度和長(zhǎng)循環(huán)壽命等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于移動(dòng)電子設(shè)備和動(dòng)力裝置中，然而，特斯拉事件、三星手機(jī)事件等，頻繁發(fā)生的鋰離子電池安全事故逐漸引起了人們的關(guān)注。其中，隔膜（圖2）作為鋰離子電池的重要組成部分之一，可提供鋰離子傳輸通道，并且可防止正、負(fù)極接觸發(fā)生短路，對(duì)鋰離子電池的安全性具有非常重要的影響。鋰離子電池隔膜要滿足如下幾個(gè)條件：

（1）具有電子絕緣性，保證正負(fù)極的機(jī)械隔離；

（2）有一定的孔隙率和孔徑，保證低的電阻和高的離子電導(dǎo)率，對(duì)鋰離子有很好的透過性；

（3）耐電解液腐蝕，電化學(xué)穩(wěn)定性好；

（4）對(duì)電解液的浸潤(rùn)性好并具有足夠的吸液保濕能力；

（5）具有足夠的力學(xué)性能，包括穿刺強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度等；

（6）空間穩(wěn)定性和平整性好；

（7）熱穩(wěn)定性能好。

圖1電動(dòng)汽車失火；圖2鋰離子電池的構(gòu)造。

鋰離子電池以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)迅速地占據(jù)了傳統(tǒng)電池的市場(chǎng)而得到廣泛的應(yīng)用，移動(dòng)電話、手提電腦、照相機(jī)、攝像機(jī)等電子和信息產(chǎn)品現(xiàn)在都已采用鋰離子電池作為電源。但在一些高端的應(yīng)用領(lǐng)域，如動(dòng)力電池等容量較大的鋰離子電池方面的應(yīng)用還沒有得到推廣和普及。很重要的一個(gè)原因就是現(xiàn)有的鋰離子隔膜的性能還沒能滿足作為高端電池隔膜的要求。高端電池對(duì)隔膜的要求：

（1）高溫安全性

（2）高倍率充放電性能

（3）高循環(huán)使用壽命。

聚烯烴類隔膜在高溫下能夠發(fā)生閉孔，進(jìn)而阻止熱量進(jìn)一步擴(kuò)散，是現(xiàn)在使用最廣泛的鋰離子電池隔膜。當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的聚烯烴隔膜材料是聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP），其在100℃以上就發(fā)生軟化變形。聚烯烴類聚合物的耐熱性能差，在過充過放、快速充放或高溫下可能會(huì)熔化，造成短路起火，甚至爆炸。另一方面，聚烯烴隔膜還存在電解液浸潤(rùn)性不足的問題。為了改善聚烯烴隔膜的熱穩(wěn)定性和電解液浸潤(rùn)性，目前主要的解決方法是在聚烯烴隔膜的單面或雙面涂覆耐高溫涂層，或者尋找可替代聚烯烴的熱穩(wěn)定性好的新隔膜材料。

在聚烯烴基膜上涂覆耐高溫涂層，對(duì)聚烯烴隔膜進(jìn)行改性是比較常見的辦法，其對(duì)電池的電化學(xué)性能和熱閉孔性能影響不大，卻可以有效降低隔膜的熱收縮，進(jìn)而提高鋰離子電池的安全性。市場(chǎng)上現(xiàn)在使用最多的是無(wú)機(jī)陶瓷涂覆隔膜，但是由于陶瓷納米顆粒易發(fā)生團(tuán)聚而很難均勻的涂覆在基膜上，還會(huì)造成嚴(yán)重的孔洞堵塞，導(dǎo)致離子轉(zhuǎn)移電阻變大，影響鋰電池的循環(huán)性能。并且，在電池組裝過程中，無(wú)機(jī)陶瓷與基材結(jié)合性能差，陶瓷涂層易脫落，而通過加入普通的粘結(jié)劑增加結(jié)合力后又會(huì)使得隔膜透氣性能變差，增大電池內(nèi)阻。基于陶瓷涂覆膜的這些缺點(diǎn)，使用耐高溫聚合物作為涂層材料的研究也越來(lái)越多。

另一解決辦法是選擇耐高溫的新隔膜材料來(lái)替代傳統(tǒng)的聚烯烴材料，包括天然材料和合成材料，天然材料有纖維素及其衍生物，合成材料包括聚對(duì)苯二甲酸乙二酯（PET）、聚偏氟乙烯（PVDF）、聚偏氟乙烯-六氟丙烯（PVDF-HFP）、聚酰胺（PA）、聚酰亞胺（PI）、芳綸（間位芳綸(PMIA)；對(duì)位芳綸(PPTA)）等。

PI是指主鏈上含有聚酰胺環(huán)的一類聚合物，是綜合性能最佳的有機(jī)高分子材料之一。其耐高溫在400℃以上，長(zhǎng)期使用溫度在200～300℃之間，無(wú)明顯熔點(diǎn)，高絕緣性能，1000Hz下介電常數(shù)為4.0，介電損耗僅為0.004～0.007，屬F至H級(jí)絕緣材料。已廣泛應(yīng)用在特種、航天、微電子、納米、液晶、分離膜、激光等領(lǐng)域。PI因其在性能和合成方面的突出優(yōu)點(diǎn)，不論是作為結(jié)構(gòu)材料或者是作為功能性材料，其巨大的應(yīng)用前景已經(jīng)得到充分的認(rèn)識(shí)，被稱為是“解決問題的能手”。

作為隔膜來(lái)說(shuō)，PI隔膜與傳統(tǒng)的聚烯烴隔膜相比有著眾多優(yōu)點(diǎn)：首先，其耐高溫性好，能夠提高鋰離子電池的安全性能；其次，PI多孔膜具有較高的孔隙率，且PI具有大量的極性基團(tuán)，隔膜的離子電導(dǎo)率高，對(duì)電解液的浸潤(rùn)性非常好，使得鋰離子電池適合在高倍率下充放電，縮短充電時(shí)間，并且延長(zhǎng)鋰離子電池的使用壽命。因此，PI隔膜有望作為下一代鋰離子電池隔膜材料。PI在鋰離子電池隔膜中的應(yīng)用有兩種方式，一種是在基膜上涂覆PI對(duì)基膜進(jìn)行改性制備涂覆隔膜，另一種是以PI作為基材隔膜。

1.改性隔膜

將PI涂覆在基膜上對(duì)基膜進(jìn)行改性，可以提高隔膜的熱穩(wěn)定性能?；た梢赃x擇PE、PP、PP/PE/PP等聚烯烴隔膜，也可以選擇苯二甲酸乙二酯（PET）、聚環(huán)氧乙烷（PEO）、聚丙烯腈（PAN）、纖維素等無(wú)紡布作為基膜。PI在基膜上涂覆的形態(tài)可以是顆粒、纖維或者多孔膜，引入的形式可以是聚酰胺酸（PAA），也可以是PI，具體要根據(jù)所使用基膜的種類來(lái)定。Jung-KiPark等將P84溶解在N,N-二甲基甲酰胺溶劑中涂覆在PE基膜兩側(cè)，溶劑揮發(fā)后形成PI復(fù)合隔膜，PI在PE基膜上形成球形顆粒。復(fù)合隔膜在不影響PE隔膜電化學(xué)性能的基礎(chǔ)上提高了隔膜的熱穩(wěn)定性，使隔膜能夠耐140℃高溫。XingxingLiang等將PAA溶液靜電紡絲制備PAA納米纖維膜，然后將PAA納米纖維膜熱亞胺化制備得到PI多孔膜，再將PI多孔膜浸泡在PEO的溶液中，干燥后得到PI/PEO的復(fù)合隔膜。LiuJian等人將SiO2@PI的溶液進(jìn)行靜電紡絲制備SiO2@PI膜，配置乙基纖維素（EC）和聚乙烯吡咯烷酮（PVP）的鑄膜液，將PE膜浸泡在鑄膜液中，在水中清洗掉PVP后，PE膜的兩面形成EC的多孔膜，最后將SiO2@PI@PI膜、EC@PE膜、SiO2@PI膜進(jìn)行熱壓制備得到三明治的PI復(fù)合隔膜，該復(fù)合隔膜在180℃下的熱收縮為0，耐高溫性很好（圖3）。ChuanShi等報(bào)導(dǎo)了他們將Al2O3納米顆粒和PI混合制備鑄膜液，涂覆在PE基膜單側(cè)，PI可以起到粘結(jié)劑的作用，將陶瓷更好的粘結(jié)在PE膜上，且復(fù)合膜表現(xiàn)出良好的電解液浸潤(rùn)性、耐高溫性和電池循環(huán)性能。

圖3PI隔膜和PE隔膜分別在室溫(a),150℃(b)250℃(c),500℃(d)加熱的圖片

圖4SiO2@PI/PE/SiO2@PI復(fù)合隔膜的制備流程圖（左）及其SEM圖（右）

2.新體系隔膜

PI單獨(dú)作為基材用在鋰電池隔膜中，最常見的是靜電紡絲法制備的納米纖維膜，相轉(zhuǎn)換法或模板法制備的多孔膜，其次也有刻蝕法、燒結(jié)法等其他方法制備的PI多孔膜。

LiyunCao等人通過靜電紡絲的方法制備得到的PI納米纖維基無(wú)紡布能夠在500℃高溫下穩(wěn)定使用（圖3），孔隙率達(dá)到90%，對(duì)極性電解液的吸液率高，阻抗低，倍率性能好，5C充放電320圈后容量保持率為99.66%。YingWang等人將PAA和SiO2制備成紡絲液，靜電紡絲制備PAA/SiO2納米纖維膜，然后熱亞胺化得到PI/SiO2多孔膜，孔隙率高達(dá)90%，電解液吸收率高達(dá)2400%（普通的PP隔膜的吸液率只有169%），能耐250℃高溫，表現(xiàn)出較好的倍率性能和循環(huán)性能。JaritphunShayapat等也采用靜電紡絲的方法制備了PAA/SiO2和PAA/Al2O3多孔膜。

圖5PI多孔隔膜的制備流程圖及其在不同溫度加熱下的圖片

BaokuZhu等將PAA溶液采用非溶劑致相分離法制備得到PAA多孔膜，然后熱亞胺化得到PI多孔膜，通過控制成膜條件，制得孔徑在0.5μm左右，分布均勻，呈海綿狀的PI多孔膜，該多孔膜的離子電導(dǎo)率可達(dá)2.15mS/cm，吸液率可答250%，在180℃下無(wú)熱收縮（圖5）。XuyaoHu等將SiO2分散在PI的NMP溶液中，然后將混合液干燥成膜，用HF蝕刻掉SiO2得到PI的多孔膜，并與PP膜對(duì)比發(fā)現(xiàn)，PI多孔膜在180℃下無(wú)明顯熱收縮，提高鋰離子電池的安全性。

隨著電子信息和新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對(duì)鋰離子電池尤其是新能源汽車用動(dòng)力電池的性能提出了更高的要求。作為鋰離子電池四大主材之一的隔膜，它將直接影響著電池的安全性，其厚度、孔隙率、吸液率、化學(xué)穩(wěn)定性、靜電值都會(huì)直接影響到電池的電性能。傳統(tǒng)聚烯烴隔膜吸液率和耐高溫性差，需要開發(fā)熱穩(wěn)定性好、電解液浸潤(rùn)性好的新一代隔膜材料。PI的結(jié)構(gòu)與性能使得其作為鋰電池隔膜與傳統(tǒng)PE、PP膜相比具有很大的優(yōu)越性。杜邦公司2010年8月4日宣布開發(fā)出應(yīng)用于鋰離子電池的聚酰亞胺納米纖維基分離膜，可提高電池動(dòng)力和延長(zhǎng)壽命，據(jù)稱可使電力提高15%至30%。國(guó)內(nèi)江西先材公司采用靜電紡絲制備的自支撐PI納米纖維電池隔膜已進(jìn)入中試階段，具有安全性高、倍率高、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。

到目前為止，國(guó)內(nèi)外對(duì)PI隔膜的研究取得了較多的階段性成果，但除了杜邦，大多還是停留在實(shí)驗(yàn)室研究階段，再加之缺乏PI鋰電池隔膜的相關(guān)生產(chǎn)設(shè)備，材料成本高，導(dǎo)致國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上PI鋰電池隔膜還有很大的空缺。因此，高分子材料企業(yè)需要在單體合成及聚合方法上尋找降低PI成本的途徑，隔膜生產(chǎn)企業(yè)和設(shè)備加工企業(yè)互相合作，使PI鋰電池隔膜早日實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。