鈉電池(SIBs)低成本、低溫和快充效能使其受到廣泛關注。隔膜是電池必不可少的關鍵元件之一，影響了電池的介面結構和內阻，以及電池的容量、迴圈和安全效能等特性。因此，隔膜須具有優異的潤溼性、機械效能、孔徑分佈、離子電導率和熱穩定性。目前，鈉離子電池隔膜的研究主要集中在商用PP、PE隔膜的改性及其他新型隔膜上，這些隔膜具有優異的化學穩定性和迴圈穩定性。這些隔膜具有良好的電化學穩定性和較高的機械強度，但在高溫下的穩定性相對較差，而且存在電解質潤溼性差的問題。因此，在鈉離子電池中，隔膜作為難題之一，在實際應用方面還有巨大的挑戰。
基於此，東華大學朱美芳院士/徐桂銀教授團隊從鈉離子電池的結構和工作原理出發總結了隔膜的相關效能。此外，對聚烯烴隔膜、纖維素隔膜和玻璃纖維隔膜等進行了討論，概述了鈉離子電池的工業化程序和未來趨勢。該工作以“Functional Separator Materials of Sodium-Ion Batteries: Grand Challenges and Industry Perspectives”為題發表在Nano Today期刊上。
文章要點：
1. 介紹了鈉離子電池的工作原理及符合要求的隔膜。
2. 概述了現有的鈉離子電池隔膜，並比較了不同型別隔膜之間的效能。
3. 討論了鈉離子電池隔膜的工業化程序和未來趨勢。
圖文導讀：
鋰離子電池和鈉離子電池出現於20世紀70年代末。鋰離子電池因其優異的電化學效能而得到了快速發展，其出口比例也在逐年增長。然而，這種廣泛使用導致了鋰的短缺，成本也隨之增加。統計資料顯示，全球鋰資源主要集中在南美洲和澳大利亞，佔比超過50%，而中國的鋰儲量僅佔全球的6%。鋰資源的短缺將制約其可持續發展。在這種情況下，與鋰性質相似的鈉基於其高儲量、低成本，在儲能領域發展迅速（圖1）。
鈉離子電池的結構與鋰離子電池相似，主要由正極材料、負極材料、電解液和隔膜等關鍵材料組成。鈉離子在正負電極之間來回擺動，類似於搖椅。在充電過程中，鈉離子從正極脫出，穿過電解液和隔膜，最終嵌入負極。電子則透過外部電路從負極流向正極，以平衡電荷，放電過程與上述過程相反（圖 2）。隔膜作為內部結構的重要組成部分，它可以隔離正負極，儲存電解液，促進鈉離子的自由傳輸，對電池的電化學效能有重大影響。高能量密度鈉電池的理想型隔膜需要具備出色的化學穩定性，才能對有機電解液具有較高的耐腐蝕性；高機械強度防止鈉枝晶穿透隔膜，造成電池內部短路；高潤溼效能擴大隔膜與電解液之間的接觸面，從而提高離子傳導性，改善電池的充放電效能和容量；合適的孔徑大小可促進形成均勻的鈉離子通道，從而提高離子傳輸效率；好的熱穩定性使得隔膜保持原有的完整性，繼續隔離正負極，防止發生短路；薄型隔膜可為正負極活性材料提供更多空間，從而提高電池的能量密度；低的製備成本讓鈉離子電池能在市場上大範圍推廣及可持續發展。
圖 1：（a-b）全球鋰電池市場規模和中國鋰電池出口量；（c）全球鋰資源分佈；（d）鈉和鋰的特性比較。
圖 2. 鈉離子電池的結構（左）和隔膜的效能要求（右）。
目前，鈉離子電池隔膜的主要材料是聚乙烯、聚丙烯隔膜及其複合隔膜。聚烯烴隔膜成本低、機械效能強、化學穩定性好，但其熱穩定性和電解液相容性仍然存在問題。玻璃纖維具有高孔隙率、優異的熱穩定性和高離子傳導性，在實驗室中被廣泛用作鈉離子電池的隔膜，但仍存在厚度大、機械效能差等問題（圖 3）。為了不影響鈉電池的電化學效能且具有較高的熱穩定性，研究人員透過塗覆具有良好熱穩定性的無機陶瓷粉料或者是極性聚合物提高隔膜熱穩定性等效能，以此來有效提高電池的安全性、大功率快速充電和放電效能。但這可能會導致孔徑減小和隔膜厚度增加，會對電池效能產生負面影響。此外，纖維素基於原料廣泛、高潤溼性、良好的熱穩定性、生物相容性和環保性在電池領域可滿足可持續發展的需要。但是，纖維素基隔膜仍處於實驗室研究階段，要實現商業化還需要進一步探索。此外，使用可促進介面離子傳輸的夾層、設計可防止鈉枝晶生長的複合隔膜或使用低彈性模量的無機固體電解質也是可行的。
圖 3. a) PP、b) PE、c) PI 和 d) GF 的厚度、孔隙率、潤溼性、離子傳導性和機械效能比較。
近幾年，參與鈉電池產業的企業數量迅速增加。2022年底，鈉電池產業化已初步形成產業鏈，2023年實現了大規模應用。然而，雖然正負極材料的技術路線已經成熟，但隔膜的開發仍處於實驗室研究階段。與鋰離子電池相比，鈉電池需要更多的隔膜研究技術。總的來說，目前和未來對鈉電池的研究將會更多的集中在隔膜方面。生產低成本、高安全性的鈉電池隔膜是未來市場需求的趨勢。
總結與展望
新能源市場的快速發展和鋰電池的高成本加速了鈉離子電池的產業化。由於高能量密度和安全性的要求，SIBs的發展空間還很大。目前，其正負電極和電解液已實現產業化，但隔膜的研究及產業化仍然滯後。隔膜作為鈉離子電池的關鍵部件之一，決定著電池的電化學效能和安全效能。對新材料、結構設計最佳化和功能性隔膜的深入研究旨在製造出更高效、穩定和安全的鈉離子電池。由於聚烯烴隔膜與鈉電池電解液體系相容性不佳，且潤溼性和熱穩定性較差，因此透過塗層和接枝極性基團對聚烯烴隔膜進行了簡單改性，使其適用於鈉離子電池體系。此外，一些聚醚醚酮、聚苯硫醚等新型隔膜，它們不僅能提高熱穩定性，還能改善電解質潤溼性和離子電導性。但是，鈉枝晶嚴重影響了電池的安全效能，隔膜與正負極介面問題還需要更多的詳細研究。
來源：高分子科學前沿
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