柯 鹏 焦晓宁，2

(1.天津工业大学纺织学院，天津，300387;2.天津工业大学先进纺织复合材料教育部重点实验室，天津，300387)

在锂离子电池的结构中，隔膜处在电池正负极之间，以防止出现短路，具有使电池内的电子不能自由穿过，但允许电解液中的离子自由通过的作用［1-3］。隔膜性能的优劣直接决定了电池的界面结构、内阻等，影响电池的容量、循环性能以及安全性能等特性。随着便携式电子产品和环保电动汽车的发展，研究并生产安全性好、循环效率高和循环寿命长的锂离子电池隔膜受到广泛的关注。

在电池组装和充放电循环使用过程中，为防止隔膜破裂需要隔膜材料本身具有一定的强度，包括拉伸强度、穿刺强度等。目前市场上的锂离子电池隔膜商品主要是以聚乙烯(PE)和聚丙烯(PP)为主的聚烯烃隔膜，虽然强度较高，但存在着孔隙率、吸液率和保液率低等不足，致使电解液容易发生侧漏，使得锂离子电池的安全性存在隐患［4-6］。静电纺丝是指在静电场作用下将聚合物溶液或熔体拉伸成纤维的一种纺丝技术。该方法制备的纤维的直径为纳米级，比表面积大，所得到的隔膜具有孔隙率高、孔径小而均匀、吸液和保液性能好、离子电导率高等优点，是公认的高性能锂离子电池隔膜材料［7-8］。但静电纺锂离子电池隔膜是由杂乱的纤维互相搭接而成，隔膜力学性能主要依赖于纤维与纤维之间有效的黏结点，故静电纺锂离子电池隔膜强度较低，难以达到卷装或电池组装过程对隔膜强度的要求。因此，有必要制备强度较高、性能优异的锂离子电池隔膜。本文综述了现有的增强型静电纺纤维膜的制备方法。

1 单一静电纺丝

1.1 不同聚合物共混

将一种聚合物与其他聚合物共混，可以达到增强的效果，并且还能均衡各聚合物组分的性能，获得综合性能较为理想的聚合物材料，改善聚合物隔膜的性能。

纤维素及纤维素基材料具有高纵横比的晶须态结构，天然纤维素的模量预计为138 GPa，由于其具有良好的力学性能，因此可以作为锂离子电池隔膜的增强材料［9-10］。Samad 等［11］在聚氧化乙烯(PEO)中添加不溶性的纤维素基颗粒增强。当将由纤维素与PEO凝胶化而形成的颗粒(GELPEO)添加到纺丝液中时，得到的GELPEO/PEO共混膜的拉伸强度较PEO隔膜增大两倍，100℃时的离子电导率与 PEO隔膜无异(均为10－4S/cm)，且GELPEO/PEO共混膜在200℃以上时比PEO隔膜更能保持良好的热学稳定性，因此更适用于锂离子电池。Lalia等［12］在聚偏氟乙烯-六氟丙烯(PVDFHFP)纺丝液中添加纤维素(NCC)增强。当添加质量分数为2%的纤维素时，NCC/PVDF-HFP共混膜的拉伸强度为8 MPa，而商品膜 Celgard 2400为17 MPa;共混膜的杨氏模量为30 MPa，与Celgard 2400的35 MPa相当。NCC/PVDF-HFP共混膜与PVDF-HFP膜的吸液率分别为712%和435%，因此NCC/PVDF-HFP共混膜的离子电导率要高于纯PVDF-HFP隔膜。

聚合物的结晶度和分子链中的硬链段都会影响静电纺纤维的强度，因此可以使用结晶度高的聚合物或者含有硬链段的聚合物与其他聚合物共混，通过静电纺丝得到增强的共混膜。高昆［13］将PVDF与结晶度高达85%的PEO进行共混，采用静电纺丝制备出锂离子电池用隔膜。当二者质量比为7∶3时，PVDF/PEO共混膜显示了良好的力学性能，断裂强度达到14.9 MPa;初始放电比容量在130.5～132.3 mA·h/g之间，随着循环进行，放电比容量均呈缓慢下降趋势，50次循环后仍保持较高的放电比容量。Ding等［14］将聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)/PVDF-HFP的混合纺丝液通过静电纺丝制备了PMMA/PVDF-HFP共混纤维膜，共混隔膜的吸液率为377%、离子电导率为2 mS/cm。由于PMMA为硬链段，且共混纤维膜的纤维之间的黏结点增多，因此共混纤维膜的强度达到9 MPa，而PVDF-HFP隔膜强度为6 MPa。

1.2 聚合物溶液中添加无机物

在聚合物纺丝溶液中添加不溶性无机物颗粒(如 SiO2、Al2O3和 BaTiO3等)，分散均匀后进行静电纺丝。添加无机物虽然能有效提高静电纺纤维膜的力学性能，但添加的无机物颗粒与聚合物分子链之间必须存在作用力才能提高隔膜强度，这就限制了无机物在增强静电纺膜中的应用。

Zaccaria等［15］在不同聚合物［(PEO 和聚偏氟乙烯-三氟氯乙烯(PVDF-CTFE)］纺丝液中添加不溶性的SnO2和SiO2纳米颗粒，进行静电纺丝，探讨了制得的纤维膜的形态变化和强度等性能。研究发现：在PEO纺丝液中加入质量分数为5%的SnO2和10%的SiO2，可以极大提高PEO静电纺纤维膜的强度;而对于PVDF-CTFE，加入的无机纳米颗粒却使得PVDF-CTFE纤维膜强度有所降低。这是由于在PEO纺丝液中，无机纳米颗粒表面的极性基团之间以及与PEO高分子链上的极性基团之间的相互吸引可以增强纤维之间的黏结，同时无机纳米颗粒的存在可以增大聚合物的非晶区，使锂离子迁移更加容易，因此能同时提高隔膜的力学性能和离子电导率［16］;而在 PVDF-CTFE体系中，无机纳米颗粒中的氧原子与PVDF-CTFE基团之间基本无作用力，并且加入的纳米颗粒使得静电纺纤维结晶度降低，这使得加入SnO2或者SiO2的PVDFCTFE纤维膜较纯纺纤维膜强度有所降低［17］。韩领等［18］通过钛酸丁酯(TBTi)在PVDF溶液中原位生成TiO2，并经静电纺丝制备出锂离子电池隔膜。当TiO2质量分数为5%时，隔膜拉伸强度和断裂伸长率分别增加了228.6%和244.8%;室温下电导率为5.1 mS/cm，分解电压高达5.13 V，且相比于PVDF隔膜具有更好的放电比容量。这是由于TiO2表面的极性基团之间以及与PVDF分子链上的氟原子可以相互作用，起到物理交联作用，因而隔膜拉伸强度有所增加。

1.3 聚合物复合

复合是指以某些力学性能较好的静电纺纤维或者纤维膜为增强基体，在其上覆盖一层其他材料或将两种及多种材料以多层形式加工进行复合，以提高隔膜力学和电化学等性能。

层状复合隔膜是指在某一静电纺纤维膜上覆盖其他材料而制备的多层膜。Angulakshmi等［19］制备了 PVDF-HFP/聚氯乙烯(PVC)/PVDF-HFP三层复合膜。测试表明：三层复合膜的强度为1.8 MPa，而 PVDF-HFP 隔膜强度为 0.95 MPa。由于静电纺PVC纤维相比于PVDF-HFP纤维具有更小的直径，且较细的纤维能够填充在PVDF-HFP纤维层的空隙中，因此PVC层纤维间以及PVC纤维与PVDF-HFP纤维间的有效黏结点增多，使得三层复合膜的强度增大。

同轴复合是指利用同轴静电纺丝工艺制备出芯壳结构的同轴复合膜。崔光磊等［20］利用同轴静电纺丝工艺制备聚砜酰胺(PSA)/PVDF-HFP芯壳结构的同轴纤维膜，经过辊压机压平整后得到PSA/PVDF-HFP同轴复合膜。制得的纤维膜显示出良好的力学性能，拉伸强度高达28 MPa，并具有80%的孔隙率;在磷酸铁锂为正极材料的电池循环测试中，20次循环后仍有较高的放电比容量。Zhou等［21］以PSA为芯层、以PVDF-HFP为壳层制备出了PSA/PVDF-HFP芯壳结构的锂离子电池隔膜，强度高达24 MPa，比PVDF-HFP隔膜的强度(6 MPa)要高，离子电导率为1.69 mS/cm。

1.4 静电纺/静电喷雾纤维膜

通过控制纺丝条件，既可以得到静电纺纤维，也可以得到静电喷雾颗粒。隔膜的孔隙率和吸液率增大，隔膜的电导率和电池循环性能都会有一定程度的改善。静电纺/静电喷雾技术制备的隔膜强度与隔膜结构紧密相关，制备的隔膜强度变化不一，因此该方法在增强隔膜的应用中有一定限制。

Huang等［22］制备了复合锂离子电池隔膜，其中间层为静电喷雾SiO2颗粒层，外层都为聚丙烯腈(PAN)静电纺纤维膜。PAN/SiO2质量比为1∶1的三层复合隔膜，相比于PAN隔膜在强度上有较小损失，为7.1 MPa，但是隔膜有良好的热学稳定性及高的离子电导率。这是由于中间的颗粒层不具备良好的力学性能，并且中间层与外层之间黏结性较差，但是颗粒层却增大了孔隙率，可以保留更多的电解液，因此比商品膜具有好的电化学性能。然而，Yanilmaz等［23］的研究有不同的结果。他们在利用静电纺丝制备PVDF纳米纤维膜的同时使用静电喷雾制备SiO2颗粒，SiO2颗粒均匀地分布在PVDF纤维中，得到了PVDF纤维与SiO2颗粒的共混膜。当SiO2纳米颗粒质量分数增大至24%时，共混膜的强度与PVDF纤维膜相比其变化不大，均约为13 MPa，且共混膜具有优良的电化学性能，电池的循环性能也比PVDF纤维膜好。

2 静电纺-后处理

2.1 静电纺与交联改性

交联是指两个或者更多的分子(一般为线性分子)相互键合交联成网络结构的较稳定分子(体型分子)反应。交联改性将松散搭接的纳米纤维通过交联点形成网络结构，纤维与纤维之间形成了稳定的交联点，而非黏结点，提高了静电纺纤维膜的强度。

瞿威［24］将PVDF与聚氨酯预聚体(PUR)混合后进行静电纺丝，并在一定条件下发生交联反应，得到PVDF/聚氨酯(PU)双组分静电纺纤维膜。PVDF/PU双组分膜是以PVDF超细纤维膜为主体，在纤维膜内的缠结点处引入PUR。在一定条件下，PUR交联反应生成PU，使纤维之间相互黏结，起到黏结剂的作用，增强了纤维之间的缠结粘连的能力，从而提高PVDF纳米纤维膜的力学性能［25］。齐胜利等［26］介绍了将聚酰胺酸(PAA)溶液经静电纺丝制得PAA纳米纤维膜，并将其放置在pH=8～10的氨水溶液中刻蚀60 s，形成交联结构后经水洗、干燥、300℃亚胺化制得交联结构的聚酰亚胺(PI)纤维膜，交联改性后的隔膜强度可以达到31 MPa，孔隙率77%，吸液率273%。Kim等［27］将PAN与三羟甲基丙烷三丙烯酸酯(TMPTA)以不同配比共混后进行静电纺丝，制备出具有交联结构的纤维膜。当PAN与TMPTA质量比为1∶1时，纤维膜的拉伸强度达到15.4 MPa，而PAN纤维膜的强度为13.0 MPa;由于形成了交联结构，纤维膜的离子电导率虽有所降低，但仍然达到2.59 mS/cm。

2.2 静电纺与涂覆

涂覆是指在基片表面覆盖一层材料，如用浸渍、喷涂或旋涂等方法在基片表面覆盖一层其他物质。涂覆不易形成均匀的电解质层，会影响电极/电解质界面性质，进而影响电池的性能。涂覆层和支撑膜基体之间作用力微弱，电池组装过程中容易发生剥离，不利于电池的装配。

Zhu等［28］将厚度约为25 μm的聚丙烯酸草酸硼酸锂(LiPAAOB)浇铸膜置于用乙醇/水润湿的静电纺PVDF膜上，放置好浇铸膜后，再在浇铸膜上铺上一层静电纺PVDF膜，当乙醇和水受热挥发后就制备出了三层复合膜，中间层为涂层膜，外层为纤维膜。该复合膜的强度为22.7 MPa，25℃时的离子电导率为0.35 mS/cm，而商品膜Celgard 2730的离子电导率为0.21 mS/cm。木士春等［29］将静电纺聚合物纳米纤维膜浸渍在带有高反应活性的异氰酸酯基团的湿固化反应型PUR的溶液中，室温下PUR中的—NCO与空气中水的—OH键发生反应交联，自聚合生成PU，使静电纺膜中的纳米纤维互相黏结组成聚合物树脂与PU双组分复合膜，极大提高了纤维膜的强度。

2.3 静电纺与热处理

将静电纺丝制备的隔膜经过热处理来实现增强的目的。一般采用烘箱或者滚筒热压对隔膜进行加热处理，以增加纳米纤维之间的有效结点［30］，使隔膜内部形成物理交联结构。热处理方法简单，但静电纺隔膜经过热处理后，会增大隔膜的结晶度，降低隔膜的孔隙率，不利于锂离子的迁移，因此隔膜离子电导率会降低，循环性能会变差。

Liu等［31］通过同轴静电纺丝制备了PI/PVDFHFP芯壳结构的锂离子电池隔膜，该复合纳米纤维膜以PI为芯层、PVDF-HFP为壳层。芯层主要作为增强体，而壳层的主要作用是提高电化学性能。由于在受热条件下壳层PVDF-HFP熔融使得芯层PI黏结性增加，因此隔膜在干态下的强度约为53 MPa，而PI隔膜的干强为30 MPa，力学性能有较大提高。该芯壳结构的隔膜25℃时的离子电导率为1.68 mS/cm，电化学稳定窗口高达5.2 V。

Kimura 等［32］首先用 PVDF-HFP、聚乙二醇(PEG)、聚乙二醇二甲基丙烯酸酯(PEGDMA)混合溶液制备了共混隔膜，然后将共混隔膜在90℃条件下热处理一定时间，得到具有物理黏接和化学交联网状结构的隔膜。当PVDF-HFP/PEG/PEGDMA质量比为 6∶1∶3 时，PVDF-HFP/PEG/PEGDMA 共混隔膜的杨氏模量和拉伸强度分别为28.1和19.0 MPa，相比 PVDF-HFP隔膜力学性能提高不少，且PVDF-HFP/PEG/PEGDMA共混隔膜的离子电导率为 1.70 mS/cm，而商品膜 TF 4850为1.31 mS/cm。焦晓宁等［33］将两种熔融温度相差30℃以上的聚合物混合纺丝液体系通过静电纺丝技术制备的纳米纤维膜在一定压强下热压处理一定时间，热压温度介于低熔点聚合物和高熔点聚合物熔融温度之间，使纤维膜中的纳米纤维相互之间黏结，从而制备出增强型静电纺纳米纤维隔膜，隔膜强度提高2～5倍。

3 静电纺纤维膜与增强基材复合

以现有的非织造布或聚烯烃膜等力学性能较好的非静电纺隔膜为基体，在其上覆一层其他材料或将两种及多种材料以多层形式加工进行复合，可以提高隔膜的强力、吸液率和电化学等性能。利用增强基材可以明显提高静电纺纤维膜的断裂强度，因此是制备增强型复合隔膜的有效方法。然而，增强基材与静电纺纤维膜之间黏结性较弱，因此易分层，且增强基材所用纤维一般为微米级，其制备的复合隔膜厚度偏大，在一定程度上不符合锂离子电池隔膜的要求。

Cho等［34］首先用湿法成网制备了一层为PP/PE的芯壳结构的纤维和一层为PP纤维的双层非织造布，在铺上一层静电纺PAN纳米纤维膜前，又在双层非织造布上喷射了一层无机物颗粒层，在复合前都经过热轧黏结在一起，由此得到了多层复合隔膜。该复合膜的拉伸强度达到50 N/5 cm，而PAN膜的拉伸强度为24 N/5 cm。由于复合膜中含有热熔性的芯壳结构的纤维，在受热过程中容易熔融形成黏结点，因此复合膜的强度明显高于PAN膜。复合膜在200次循环后的放电比容量仍然有88%，而对比膜Celgard 2400的放电比容量不到80%。Ding等［35］在PET非织造布上接收一层静电纺PAA纤维膜，并经过加热处理后使得PAA亚胺化得到PI/PET复合锂离子电池隔膜。该隔膜的强度较PI纤维膜有很大的提高，达到50.87 MPa，孔隙率为65%，离子电导率达到0.897 mS/cm。

4 发展趋势

目前采用静电纺丝技术制备的锂离子电池隔膜为杂乱纤维膜，该纤维膜主要依赖纤维间的黏结点来获得一定的拉伸强度，因此杂乱纤维膜的拉伸强度上升空间有限。而当静电纺纤维膜与增强基材复合时，不仅能获得基材优良的拉伸强度，还可以发挥静电纺纤维膜的优势。Carol等［36］制备了增强的锂离子电池隔膜，该锂离子电池隔膜不仅通过纤维间的黏结点增强，并且纤维膜强度主要通过纤维本身获得。因此，笔者认为未来增强静电纺锂离子电池隔膜的发展趋势为：

(1)制备静电纺纤维膜与增强基材有效复合的锂离子电池隔膜;

(2)通过改变纤维的排列方式，改善静电纺锂离子电池隔膜的力学性能。

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