东华大学朱美芳院士/徐桂银团队：钠电池隔膜的重大挑战与产业展望
东华大学朱美芳院士/徐桂银团队：钠电池隔膜的重大挑战与产业展望
钠电池（SIBs）因其低成本、低温和快充性能而受到广泛关注。隔膜作为电池的关键组件之一，对电池的界面结构、内阻以及容量、循环和安全性能等特性具有重要影响。理想的隔膜需要具备优异的润湿性、机械性能、孔径分布、离子电导率和热稳定性。
目前，钠离子电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。这些隔膜虽然具有优异的化学稳定性和循环稳定性，但存在高温稳定性较差和电解质润湿性差的问题。因此，隔膜在钠离子电池的实际应用中仍面临巨大挑战。
东华大学朱美芳院士/徐桂银教授团队从钠离子电池的结构和工作原理出发，总结了隔膜的相关性能，并对聚烯烃隔膜、纤维素隔膜和玻璃纤维隔膜等进行了讨论。该研究以“Functional Separator Materials of Sodium-Ion Batteries: Grand Challenges and Industry Perspectives”为题发表在Nano Today期刊上。
钠离子电池的工作原理及隔膜要求
钠离子电池的结构与锂离子电池相似，主要由正极材料、负极材料、电解液和隔膜等关键材料组成。钠离子在正负电极之间来回摆动，类似于摇椅。在充电过程中，钠离子从正极脱出，穿过电解液和隔膜，最终嵌入负极。电子则通过外部电路从负极流向正极，以平衡电荷，放电过程与上述过程相反。
隔膜作为内部结构的重要组成部分，需要具备以下性能：
- 出色的化学稳定性，以耐受有机电解液的腐蚀
- 高机械强度，防止钠枝晶穿透隔膜导致短路
- 优异的润湿性能，扩大隔膜与电解液的接触面，提高离子传导性
- 合适的孔径大小，促进均匀的钠离子通道形成
- 良好的热稳定性，保持隔膜完整性防止短路
- 薄型设计，为正负极活性材料提供更多空间
- 低成本，便于大规模推广
图 1：（a-b）全球锂电池市场规模和中国锂电池出口量；（c）全球锂资源分布；（d）钠和锂的特性比较。
图 2. 钠离子电池的结构（左）和隔膜的性能要求（右）。
现有隔膜材料的比较
目前，钠离子电池隔膜的主要材料是聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）隔膜及其复合隔膜。聚烯烃隔膜成本低、机械性能强、化学稳定性好，但其热稳定性和电解液相容性仍然存在问题。玻璃纤维具有高孔隙率、优异的热稳定性和高离子传导性，在实验室中被广泛用作钠离子电池的隔膜，但仍存在厚度大、机械性能差等问题。
为了提高隔膜的热稳定性和安全性，研究人员通过涂覆具有良好热稳定性的无机陶瓷粉料或极性聚合物来改善隔膜性能。但这可能会导致孔径减小和隔膜厚度增加，对电池性能产生负面影响。此外，纤维素基隔膜由于原料广泛、高润湿性、良好的热稳定性、生物相容性和环保性，在电池领域展现出可持续发展的潜力。但目前仍处于实验室研究阶段，要实现商业化还需要进一步探索。
产业化进展与未来展望
近几年，参与钠电池产业的企业数量迅速增加。2022年底，钠电池产业化已初步形成产业链，2023年实现了大规模应用。然而，虽然正负极材料的技术路线已经成熟，但隔膜的开发仍处于实验室研究阶段。与锂离子电池相比，钠电池需要更多的隔膜研究技术。总的来说，目前和未来对钠电池的研究将会更多的集中在隔膜方面。生产低成本、高安全性的钠电池隔膜是未来市场需求的趋势。
新能源市场的快速发展和锂电池的高成本加速了钠离子电池的产业化。由于高能量密度和安全性的要求，SIBs的发展空间还很大。目前，其正负电极和电解液已实现产业化，但隔膜的研究及产业化仍然滞后。隔膜作为钠离子电池的关键部件之一，决定着电池的电化学性能和安全性能。对新材料、结构设计优化和功能性隔膜的深入研究旨在制造出更高效、稳定和安全的钠离子电池。由于聚烯烃隔膜与钠电池电解液体系相容性不佳，且润湿性和热稳定性较差，因此通过涂层和接枝极性基团对聚烯烃隔膜进行了简单改性，使其适用于钠离子电池体系。此外，一些聚醚醚酮、聚苯硫醚等新型隔膜，它们不仅能提高热稳定性，还能改善电解质润湿性和离子电导性。但是，钠枝晶严重影响了电池的安全性能，隔膜与正负极界面问题还需要更多的详细研究。
本文原文来自Nano Today期刊，东华大学朱美芳院士/徐桂银教授团队的研究成果。