伊希沙姆·汗 | 瓦利德·詹 | 法伊扎·詹·伊夫蒂哈尔 | 穆罕默德·谢拉兹 | 穆罕默德·祖尔卡纳因·阿巴希 | 瓦贾哈特·乌拉·汗·塔林 | 穆罕默德·费萨尔·拉托尔 | 丁·奇·楚阿
巴基斯坦白沙瓦CECOS信息技术与新兴科学大学机械工程系，邮编25000
**摘要**
随着环境问题的日益严重以及全球向可再生能源和电动出行转型的趋势，锂离子（Li-ion）电池在各种应用中成为关键的能源来源。然而，市面上现有的锂离子电池仍存在诸多问题，如容量衰减、热导率和离子导电性差、能量传输效率低以及安全性问题。在影响电池性能的众多因素中，隔膜的属性是决定电池性能水平的关键因素之一。本系统文献综述（SLR）研究了锂离子电池所需的有效隔膜的主要性能指标。研究结果表明，基于复合材料的隔膜由于具有优异的机械性能、热性能和电化学性能而在性能上更为优越。此外，表面处理技术（如聚乙烯（PE）隔膜上的氧化铝层、AlOOH涂层、电子束物理气相沉积（EB-PVD）以及先进的制造技术（如静电纺丝-热压技术（EHPT）和EHPT结合苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯（SIS/PAN））在提升电池性能和安全性方面展现出巨大潜力。通过分析当前的最佳实践并概述未来研究的关键领域，本文为开发高效锂离子电池的下一代隔膜做出了贡献。
**1. 引言**
近年来，由于传统化石能源的过度使用导致环境污染和生态系统退化等全球性问题，能源存储市场以极高的速度增长[1]。研究重点转向了基于可再生能源（如风能、太阳能等）的可持续能源[2]。然而，这些能源的发电具有间歇性。因此，通过采用先进的能源存储技术可以实现可再生能源的高效存储[3]。能源存储是21世纪发展最快的领域之一，锂离子电池被广泛用作可充电储能技术。除了向可持续和清洁能源的转变外，由于锂离子电池具有较高的能量密度和较低的环境负面影响，其在电动汽车领域的应用也日益普及[4]。索尼于1990年开发了第一款商用锂离子电池，并在小型电子产品和大型工业系统中得到广泛应用[5][6][7][8]。
**1.1. 锂离子电池的结构组件和工作原理**
传统的锂离子电池由正极（阴极）和负极（阳极）组成，两者之间由隔膜隔开。隔膜至关重要，因为它允许锂离子通过而阻止电子在电极间的流动[9]。充电过程中，锂离子从阴极通过电解质移动到阳极，并嵌入碳基框架中。放电过程则相反，离子重新回到阴极释放储存的能量，如图1所示。
**1.2. 隔膜类型、性能及组成材料**
隔膜主要包括微孔隔膜、静电纺丝隔膜、非织造膜、表面改性的膜、聚合物混合物和复合材料。它们主要依赖于被电解质溶液润湿的多孔膜。电解质溶液由高介电常数（ε）和低粘度（η）的非水溶剂组成，在电池工作温度范围内保持液态[12]。隔膜的机械性能（如杨氏模量、延展性、韧性及抗蠕变性）至关重要。市售的聚烯烃隔膜孔径范围为0.03至0.5 μm，总孔隙率为30–50%，厚度小于30 μm。然而，聚烯烃隔膜存在一些局限性，如热稳定性差、电解质润湿性不佳以及在高温下容易收缩，这限制了其在高能量锂离子电池中的性能。具有不同微观结构的隔膜（如六边形、线性沟槽、之字形和柱状表面）相比无图案隔膜具有更高的放电效率[13]。锂离子电池中的隔膜通常由微孔绝缘材料制成，以防止电极间短路。塑料隔膜因其多孔性、高粘结能力、高电压容量、快速离子传输特性和有效的电解质保持能力而受到广泛关注，它们结合了液态和固态聚合物电解质系统的优点。首个塑料基隔膜由Bellcore公司开发，由聚偏二氟乙烯-共六氟丙烯（PVDF-HFP）基质与二丁基邻苯二甲酸酯（DBP）增塑剂和纳米级SiO₂无机填料组成[14]。Sukenik等人[15]以Bellcore塑料隔膜为参考，优化了DBP和SiO₂的组成，改进后的隔膜表现出卓越的电压稳定性，导电性比原始配方和标准商用聚烯烃隔膜高出近280%[15]。
**1.3. 锂离子电池中隔膜相关的挑战与解决方案**
市售锂离子电池在能源存储系统中的应用受到限制，因为其隔膜存在性能问题，如孔隙率低、收缩明显、热导率差、功率密度低和能量转换效率低[16,17]。这些问题导致电池容量衰减[18]和安全性问题[19]，进而影响整体输出功率[20]。电池故障通常由简单的机械碰撞、过充以及隔膜缺陷（如孔堵塞、热收缩和电解质润湿性差）引起，这些缺陷会引发内部电气故障，导致热不稳定[21]。图2展示了电池内部短路的发生过程及其升级最终导致爆炸的机制[21]。为避免锂离子电池中的热失控现象，隔膜需要具备较高的机械强度并在高温下保持热稳定性。
在一项测试中，比较了五个锂离子电池单元的隔膜，并用碳酸二甲酯清洗[22]。这些电池单元分别进行了0次和1200次循环测试，结果显示隔膜颜色随循环次数的增加而变化（0次、50次、100次、325次和1200次），最终变为棕色[22]。
**2. 研究方法**
为了系统地从文献中提取和分析相关研究结果，采用了系统文献综述（SLR）方法[24]。该方法包括制定研究问题、选择合适的数据库检索相关研究，并应用系统方法对文献进行筛选和组织。
**2.1. 研究问题的制定**
本研究旨在提高锂离子电池的性能，因此研究问题集中在隔膜的所需性能上。研究问题如下：
- 隔膜的关键结构和组成特性是什么，它们如何影响锂离子电池的性能？
- 这些特性如何影响锂离子电池的运行效率、寿命和安全性？
- 采用哪些材料设计和制造技术来提升隔膜的性能？
**2.2. 研究策略**
为了收集关于隔膜综合性能的最新和相关文献，研究重点关注过去十年发表的同行评审论文、会议论文和学术报告。搜索策略兼顾了具体性和广度，以确保涵盖所有相关论文并排除无关研究。使用表1和表2中的搜索字符串在数据库中查找信息，并通过关键词和布尔运算符筛选出直接回答研究问题的文献。
**2.3. 文献筛选**
通过创建决策表，从检索结果中筛选出最重要的论文。表3列出了选择相关文献的主要标准：讨论用于提升锂离子电池功能的隔膜特性的文章优先考虑，而与研究主题无关的文章则被排除。
**3. 文献综述**
本文遵循2020年系统文献综述和荟萃分析（PRISMA）指南，包括检查清单和流程图，系统地分析了改进锂离子电池隔膜的方法、工具和策略[23]。综述旨在讨论对电池性能影响最大的隔膜性能指标。系统选择相关研究论文的逐步过程的流程图。文献筛选和数据提取工作由多位作者共同完成，以确保结果的可靠性和最小化偏差。初步的标题和摘要筛选由Ihtisham Khan和Waleed Jan根据预先定义的纳入和排除标准独立进行。随后，Ihtisham Khan和Faiza Jan Iftikhar对全文文章进行了审核，以确认其符合要求。在研究选择过程中出现的任何分歧都通过与合作者（包括Muhammad Sheraz和Teong Chee Chuah）的讨论来解决，直到达成共识。数据提取和验证工作进一步由Muhammad Zulqarnain Abbasi和Wajahat Ullah Khan Tareen交叉检查，以确保准确性和一致性。采用这种协作且部分独立的筛选方法是为了提高审查过程的透明度和可信度。
3. 结果
隔膜的集成结构和功能特性对于确定可充电电池系统的有效性和可靠性至关重要。本节讨论了锂离子电池隔膜设计和改进方面的最新进展。
3.1. 通过材料创新提升隔膜性能的策略
本小节通过确定关键的结构和组成特性（导热性、孔隙率、离子导电性）来回答RQ1，并通过介绍Al₂O₃/PVdF-HFP和PAN@PSiO等材料创新来回答RQ3。在适用的情况下，还指出了这些创新对电池效率和安全性的影响（RQ2）。
商用隔膜的横向导热性仅为约0.19 W·m⁻¹·K⁻¹，远低于电极材料的导热性。为了克服传统电池隔膜的局限性，如低导热性和缺乏机械及热稳定性，最近的研究越来越多地集中在开发复合材料制成的隔膜上。例如，Yang等人[25]制备了一种基于层状纳米和微米级Al₂O₃/聚合物复合材料的隔膜，其导热性约为1 Wm-1 K-1，是商用聚乙烯基隔膜的5倍（见表4）。该隔膜的离子导电性保持在0.64-0.75 mS cm-1之间，略低于商用参考值的0.88 mS cm-1。电池内部的热传递分析表明，标准隔膜的低导热性对有效散热构成了显著障碍。
表4. 微米级Al₂O₃/PVdF-HFP与商用隔膜的对比[25]
| 特性 | Al₂O₃与PVdF-HFP比例（80:20） | Al₂O₃与PVdF-HFP比例（85:15） | Al₂O₃与PVdF-HFP比例（90:10） | 商用隔膜（PP/PE/PP） |
|------------------|------------------|------------------|------------------|----------------|
| 材料密度（g·cm⁻³） | 1.83 | 1.93 | 2.0 | 0.5 |
| 固体体积分数 | 0.58 | 0.58 | 0.56 | 0.61 |
| 离子传输导电性（mS·cm⁻¹） | 0.64 | 0.68 | 0.75 | 0.88 |
| 厚度（µm） | 30–200 | 30–200 | 30–200 | 25 |
研究还发现，提高隔膜的导热性可以降低内部温度上升25–33%，尤其是在强制液冷条件下。这是使用COMSOL Multiphysics软件，通过18650电池的2D轴对称几何模型和棱柱形电池组的3D层状模型进行评估的。模拟结果显示，增强的热传递使得电池内部的温度分布更加均匀，确定1 W m-1 K-1为最佳设计目标，超过这个目标后电极电阻开始占主导。此外，含有纳米/微米级Al₂O₃填料的PVdF-HFP复合隔膜与锂金属表现出良好的稳定性，且没有明显的化学反应，表明具有长期兼容性。类似地，Liu等人[26]通过静电纺丝和模板技术制备了一种涂有多孔二氧化硅（PAN@PSiO）复合纳米纤维膜的独立聚丙烯腈隔膜。这种膜同时充当隔膜和准固态电解质的支架。与商用Celgard 2325隔膜相比，这种纯PAN纳米纤维膜在热性能和机械性能上都有所提升。此外，表5展示了Celgard 2325、PAN和PAN@PSiO膜在孔隙率和电解质吸收能力方面的比较。
表5. 三种隔膜类型的孔隙率、电解质保留率、厚度、界面电阻和室温离子导电性的比较[26]
| 隔膜 | 孔隙率（%） | 电解质保留率（%） | 厚度（µm） | 界面电阻（Ω） | 离子导电性（mS·cm⁻¹） |
|------------------|------------------|------------------|------------------|------------------|----------------|
| Celgard 2325（商用PP/PE/PP） | 46.9 | 0.52 | 53.5 | 0.35 | |
| PAN膜 | 70.0 | 26.1 | 170 | 7.49 | |
| PAN@PSiO复合膜 | 68.3 | 29.7 | 180 | 5.71 | |
| 使用的电解质：1.0 M LiPF₆溶解在DEC/EC混合物（体积比1:1） |
基于0.39的孔隙率，研究还发现，提高隔膜的导热性可以降低25–33%的内部温度上升。使用COMSOL Multiphysics软件，通过18650电池的2D轴对称几何模型和棱柱形电池组的3D层状模型进行了评估，以确定电池内的具体热瓶颈。模拟结果显示，增强的热传递使得电池内部的温度分布更加均匀，确定1 W m-1 K-1为最佳设计目标，超过这个目标后电极电阻开始占主导。此外，含有纳米/微米级Al₂O₃填料的PVdF-HFP复合隔膜与锂金属表现出良好的稳定性，且没有明显的化学反应，表明具有长期兼容性。
Murali等人[27]还介绍了各种基于聚合物复合材料的隔膜及其机械强度和离子导电性，见表6，该表总结了用于固态锂离子电池隔膜的多种聚合物基复合材料，定义了它们的拉伸强度、离子传输性能和整体效率。
表6. 固态锂离子电池用聚合物复合隔膜的性能[27]
| 基础聚合物 | 溶剂/电解质系统 | 添加的填料 | 离子导电性（mS·cm⁻¹） | 轴向强度（MPa） | 关键性能 |
|------------------|------------------|------------------|------------------|------------------|----------------|
| 聚酰亚胺（PI） | LiPF₆在EC/DMC中 | SiO₂ | 2.27 | 4.7 | 良好的电解质亲和力及改进的热性能 |
| 聚酰亚胺（PI） | LiPF₆在EC/DMC中 | Al₂O₃ | 38.6 | 改善的结构和热性能 |
| 聚酰亚胺（PI） | 1摩尔LiPF₆在EC+EMC+DMC中 | 2.0×10⁻³ | 在5.0 V电压下保持电化学性能 |
| 聚丙烯腈（PAN） | LiPF₆在DEC/EC/EMC中 | HFP–PVDF | 1.74 | 更好的电解质吸收和整体性能 |
| 聚丙烯腈（PAN） | LiPF₆在DMC/EC/EMC中 | CPU | 2.07 | 增强的电解质相互作用和拉伸强度 |
| 聚酰亚胺（PI） | DMC/LiPF₆–ECHFP–PVDF | 1.68 | 5.3 | 强大的结构强度和良好的热性能及循环性能 |
| 聚偏二氟乙烯（PVDF） | LiPF₆在EC/DEC/PC/VC中 | | 1.3 | 可靠的循环和热稳定性 |
| 聚酰亚胺（PI）–ZSM-5 | | 1.04 | 强大的热韧性及稳定的电化学性能 |
| PMMA/PVDF–HFPE | | | 4.0 | 增加容量、C率性能和耐用性 |
| 聚丙烯腈（PAN） | LiPF₆在EC/EMC中 | SiO₂ | 2.1–2.6 | 增强的C率和热性能 |
| 聚偏二氟乙烯（PVDF） | LiPF₆在EC/EMC中 | | 2.1–2.6 | 增强的电解质亲和力和良好的C率性能 |
| 聚偏二氟乙烯（PVDF） | LiPF₆在EC/EMC/DMC中 | MMT | 2.58–4.2 | 更好的电解质亲和力和循环稳定性 |
| 尼龙6,6 | LiPF₆在EC/EMC中 | SiO₂ | 3.1–3.8 | 良好的电池循环稳定性、电解质亲和力和拉伸强度 |
| 尼龙6,6 | LiPF₆在EC/EMC中 | TiO₂ | 3.3 | 稳定的循环和机械支撑 |
| 聚偏二氟乙烯（PVDF） | LiPF₆在EC/EMC/DMC中 | ZSM-5 | 1.7 | 长期循环和电解质性能 |
| 聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）/PVDF–HFP | | 1摩尔LiPF₆在DMC/EC/EMC中 | 1.40–2.6 | 高电解质亲和力 |
| 聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）/PVDF–HFP | | MgAl₂O₄ | 1.40–2.6 | 高电解质亲和力 |
| 聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）/PVDF–HFPE | | | 4.0 | 增加容量、C率性能和耐用性 |
| 聚丙烯腈（PAN） | LiPF₆在EC/EMC中 | SiO₂ | 2.1–2.6 | 增强的C率和热性能 |
| 聚偏二氟乙烯（PVDF） | LiPF₆在EC/EMC中 | | 1.3 | 增强的电解质亲和力和良好的C率性能 |
| 聚偏二氟乙烯（PVDF） | LiPF₆在EC/EMC/DMC中 | | 2.1–2.6 | 增强的电解质亲和力和良好的循环稳定性 |
| 尼龙6,6 | LiPF₆在EC/EMC中 | | 3.3 | 稳定的循环和机械支撑 |
| 聚偏二氟乙烯（PVDF） | LiPF₆在EC/EMC/DMC中 | ZSM-5 | 1.7 | 长期循环和电解质性能 |
| 聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）/PVDF–HFP | | 1摩尔LiPF₆在DMC/EC/EMC中 | 3.45 | 优异的界面结合和良好的容量保持 |
| 聚氧化乙烯（PEO） | 1摩尔LiPF₆在DEC/ECS中 | | 2.1 | 高离子导电性和可靠的功能 |
| 聚偏二氟乙烯（PVDF） | LiPF₆或LiBOB | SiO₂–TiO₂ | | 增强的整体能量存储能力 |
| 聚乙二醇（PEG） | 1摩尔LiPF₆在DMC/EC中 | | 0.9 | 强大的循环寿命和高倍率充放电能力 |
高级隔膜能够应对高电压并恢复，这种现象称为电压响应型隔膜。这些隔膜使用特殊的聚合物，如聚（3-丁基噻吩）（P3BT）或PFO-DMP，在非导电和导电状态之间切换[29]。在充电过程中，它们会变得导电，从而降低电压并防止损坏；当电压恢复正常后，它们会再次切换回非导电状态，使电池能够顺畅运行。这些隔膜可以通过使用玻璃纤维等材料进一步改进，这些材料可以使聚合物更均匀地分布，使电池在高达4.85 V的高电压下也能稳定运行数百次循环。此外，还使用了壳聚糖纤维，它们可以吸收更多的电解质并减少枝晶的生长[30]。
枝晶也可能穿透隔膜，导致电池内部短路。在这些隔膜中，聚合物隔膜下方叠加了一层铜。当枝晶层出现并接触到铜时，会发生电压下降，从而防止短路[31]。其他方法涉及使用三层结构并含有二氧化硅纳米颗粒的反应性隔膜。枝晶对这些纳米颗粒的反应较慢，从而将电池寿命延长至正常电池的五倍。Liang等人[32]使用SiO₂纳米球等曲面来减轻尖锐的锂枝晶穿透隔膜的问题。这些纳米球形成了一个纳米屏蔽层，阻止了枝晶的生长，显著延长了电池寿命和充电时间。同样，Hao等人[33]使用PBO纳米纤维制备了一种超薄（3.1 μm）但机械强度高且耐热的隔膜，在150°C下表现出优异的热稳定性，并有效抑制了枝晶的形成。Wu等人[34]开发了一种使用氧化石墨烯刷的PP隔膜，以改善电解质的润湿性并在分子水平上均匀分布锂离子流。结果，锂金属阳极表现出长期的可逆镀层/剥离（2,600小时，电流密度2 mA/cm²），镀层平滑，效率为98%，并且由于高杨氏模量有效抑制了枝晶的形成。
3.2. 高性能锂离子电池隔膜的制造技术
以下发现回答了RQ3，描述了制造方法（静电纺丝、EHPT、同轴静电纺丝、DOE优化）以及RQ1，包括离子导电性、界面电阻和厚度等主要特性。每种材料对循环寿命和倍率能力（RQ2）的影响也进行了强调。
制造技术在决定电池隔膜的结构完整性、孔隙率、导热性和整体性能方面起着重要作用。仔细控制制造过程可以提供均匀的材料分布、最佳的孔结构以及界面接触，这些都是确保锂离子电池高效运行所必需的。Che等人[35]开发了一种新颖的静电纺丝-热压技术（EHPT），通过改善隔膜的电化学性能、结构性能和热性能来制造纳米纤维复合材料。使用这种技术，可以开发出具有更好离子导电性、优异电解质吸收能力、高孔隙率和大比表面积的更先进的隔膜材料。同样，Xia等人[36]研究了一种特殊的电池隔膜，该隔膜由接枝了功能性琥珀酰亚胺（SN）的PI纳米纤维组成，形成了三维交织框架。这种隔膜的离子导电性为1.03×10⁻⁴ S·cm⁻¹，在0.2 C下的比容量为151.2 mAh·g⁻¹，并在150次充放电循环后保持了91.7%的容量。
图5总结了基于聚丙烯腈（PAN）的锂离子电池隔膜的多种发展。Ma等人[37]研究了压力对静电纺丝PAN纳米纤维膜的影响，发现以20 MPa的压力压制PAN膜显著提高了其放电容量和循环寿命（图5）。在另一项研究中，Jia等人[38]使用EHPT工艺制备了含有镁铝层状双氢氧化物（LDH）的PAN复合膜。所得隔膜具有三维多孔网络，在15 wt% LDH的情况下，表现出高孔隙率和优异的电解质吸收能力，促进了离子传输并抑制了枝晶的形成（图5）。在此基础上，Li等人[39]使用聚（对苯二甲酰基-间苯二胺）（PMIA）这种高热稳定材料制备了一种具有层状核壳结构的电池隔膜。整个隔膜由PMIA@PAN（PMIA和PAN的混合物）制成，并涂有PVDF-HFP（柔性的稳定聚合物）和TiO₂（高强度陶瓷）。该隔膜在1 C下经过200次循环后仍保持76.2%的容量保持率。
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图5. a) 显示PAN-S-H膜形态的扫描电子显微镜图像[37]；b) PAN/15% LDH隔膜的电压-时间剖面放大图[38]；c) 静电纺丝复合制造过程的示意图[40]；d) Co-SIM-1/PAN隔膜中离子传输和阴离子捕获的示意图；e) 性能数据：e1) NCM811 || 隔膜 || Li电池在不同隔膜下的倍率能力，e2) 放电曲线，e3) 在5 C下的循环行为和库仑效率[41]。
同样，Fu等人[40]制备了一种涂有PVDF和金属-有机框架UiO-66的PAN/螺旋碳纳米纤维（HCNF）复合隔膜。这种改进增强了热稳定性和机械稳定性；具体来说，界面电阻在0.2 C下经过200次循环后仅从22.00 Ω增加到30.58 Ω（图5）。此外，电化学性能也得到了进一步验证，因为复合隔膜在5 C下经过250次循环后仍保持约155 mAh g-1的放电容量（图5 e3），远高于纯PAN基线的100 mAh g-1。
Yang等人[41]扩展了这种方法，使用MOF/PAN制备了一种复合隔膜，并开发了NCM811正极 || 10% MOF–PAN复合隔膜 || 锂阳极的电池配置。电池的初始放电容量为166.3 mAh·g⁻¹，在以5 C速率进行250次充放电循环后，其容量仍保持了81.3%（见图5）。在测量电池的界面电阻时，观察到其充电性能非常快：在以0.2 C速率进行200次循环后，界面电阻仅从22.00 Ω略微增加到30.58 Ω。这种性能的提升可以归因于MOF（金属有机框架）与PAN（聚丙烯腈）基体之间的协同作用。MOF成分的多孔结构形成了连续的离子传输路径，加快了Li⁺的传输速度，并选择性地抑制了阴离子的移动，从而提高了离子导电性并减少了浓度极化。此外，MOF结构中的极性官能团还有助于固定阴离子（例如PF₆⁻），这有助于减少不必要的副反应并提高界面稳定性。然而，PAN基体是一种更耐用的隔膜材料，它提供了机械强度和热稳定性，即使在长期循环使用的情况下也能保持隔膜的结构完整性。此外，MOF颗粒在PAN纤维中的均匀分布也有助于离子通量的均匀分布，并有助于防止锂枝晶的局部生长，进一步提高了循环稳定性和安全性能。这一机制在图5（d）中以示意图形式展示，突出了MOF结构内的选择性离子传输和阴离子捕获行为。
为了进一步展示隔膜制造的多功能性，Tang等人[42]使用苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯（SIS）和聚丙烯腈（PAN）制备了一种隔膜，其中SIS与PAN的比例为2:8，并采用了EHPT技术。这种隔膜表现出较高的拉伸强度和电解质吸收能力，初始放电容量为146.4 mAh·g⁻¹（在0.2 C速率下），即使在50次充放电循环后，其容量仍保留了98.02%，证明了SIS/PAN复合材料的良好循环稳定性。Jin等人在类似的研究中设计了一种由PAN/PVDF/PAN复合材料制成的三层膜隔膜。尽管这些复合材料的孔隙率和电解质吸收能力低于SIS/PAN复合材料，但在充放电性能方面优于商用聚丙烯隔膜，在0.2 C到5 C的速率范围内，其容量保留率达到了55.35%。
除了制造技术外，Kim等人[44]还利用实验设计（DOE）和渐进二次响应面方法（PQRSM）来优化锂离子电池的比能量密度。该DOE方法分析了八个电池设计参数的影响，其中隔膜的厚度是一个非常重要的因素。PQRSM方法被用作优化策略，以增加能量密度并提升整体电池性能。通过将隔膜厚度减小到10微米，能量密度从135.8 Wh/kg提高到了212.9 Wh/kg，因为隔膜是电极之间的物理屏障，不参与任何电化学反应。
3.3 使用先进涂层方法对隔膜进行表面改性
本节讨论了RQ3（先进涂层方法，如EB-PVD、AlOOH涂层、等离子体处理）和RQ1（涂层厚度、粒径和润湿性的表征）。每种涂层策略对热稳定性、容量保持率和安全性（RQ2）的影响也进行了讨论。研究人员旨在通过使用涂有氧化铝（Al₂O₃）、蒙脱石（MMT）或二氧化硅（SiO₂）等材料的塑料隔膜（如聚乙烯或聚丙烯）来提高锂离子电池中隔膜的功能性。Kumar等人[45]使用电子束物理气相沉积（EB-PVD）在聚乙烯（PE）电池隔膜的两侧沉积了一层非常薄的（约130纳米）超离子导体磷酸锂铝锗（LAGP）。这种LAGP导体是一种只传导锂离子的固体陶瓷，不会形成锂枝晶，可以提高隔膜的离子导电性，减少锂枝晶的形成，从而延长电池寿命和提升电池性能。研究结果表明，这种混合隔膜在机械强度和电化学性能方面都非常出色，同时增加了液体电解质的吸收量，降低了充放电过程中的电压。因此，这种LAGP/PE/LAGP混合隔膜非常适合用于电池化合物的分离，有助于电解质的传输以及锂离子的通过。
同样，Hyun等人[46]通过在聚乙烯隔膜的两侧涂覆AlOOH粉末（AlOOH-S为15 μm，AlOOH-M为15.1 μm，AlOOH-L为15.6 μm）来提高多孔PE隔膜的安全性和功能性（见图6）。这种涂层策略改善了隔膜的物理、热和电化学性能，AlOOH粉末部分阻塞了孔隙，从而降低了PE隔膜的总体孔隙率。如图6所示，AlOOH-L涂层隔膜的颗粒由于体积较大而排列不紧密，导致孔隙间有较大的间隙。这种涂层隔膜的大颗粒排列较为松散，使其厚度增加，从而提高了渗透性。AlOOH-M涂层隔膜的开放空间最大（Gurley值最低），锂离子在其通过时最为容易。相比之下，AlOOH-S涂层隔膜的开放空间最小，因为其颗粒较小，容易堵塞隔膜的孔隙。从机制角度来看，AlOOH陶瓷涂层对于调节离子传输和隔膜的稳定性非常重要。AlOOH表面的羟基（-OH）增强了电解质的亲和力，从而提高了润湿性，并有助于建立连续的离子传导路径[47]。这种增强的电解质吸收能力降低了界面电阻，促进了锂离子在隔膜中的高效传输。此外，陶瓷涂层还具有隔热作用，可以在高温下抑制聚合物的收缩，提高尺寸稳定性和安全性[48]。图6显示了AlOOH涂层隔膜的抗穿刺性能，表明AlOOH-M涂层隔膜的抗穿刺性能最高，因为其涂层层较为均匀。AlOOH-S涂层中的颗粒容易聚集，削弱了PE隔膜与粉末之间的界面粘附力，降低了机械强度；而AlOOH-L涂层隔膜的颗粒密度较低，因此其抗穿刺性能最低。
此外，机械性能和离子传输还取决于涂层颗粒的大小。中等大小的均匀分散颗粒（AlOOH-M）在孔隙率和迂曲度之间形成了良好的平衡，从而允许锂离子高效迁移而不影响机械强度。然而，过多的孔隙阻塞（AlOOH-S）会增加离子电阻，而松散的颗粒排列（AlOOH-L）会导致离子通量分布不均，可能促进局部锂沉积并降低循环稳定性。该技术还表明，AlOOH涂层可以提高隔膜的润湿性，使其表面比标准PE隔膜更亲水。AlOOH-M表现出最佳的润湿性，因为其微小颗粒能吸收更多液体。同样，基于AlOOH的隔膜在高温下具有出色的热稳定性，而普通PE隔膜在130°C时开始收缩，在150°C时大部分尺寸丧失。涂有AlOOH的隔膜在140°C以下仍保持稳定。具体来说，AlOOH-M和AlOOH-S在耐热性方面表现更好，因为它们与隔膜的结合不够牢固。总体而言，AlOOH涂层不仅提高了热稳定性和机械稳定性，还通过稳定电极-电解质界面和确保锂离子通量的均匀性来改善电化学性能，从而减少了锂枝晶的形成并延长了循环寿命。
在另一项测试中，AlOOH-M涂层隔膜在160°C时无法保持稳定性，而普通的PE隔膜仅在106°C时仍能保持稳定。即使在陶瓷层存在的情况下，AlOOH涂层隔膜也保持了良好的离子导电性。AlOOH-M涂层隔膜在200次循环后仍保留了约92%的容量，表明其稳定性更高。其他类型涂层的较差性能可能是由于颗粒聚集，导致涂层变弱，从而影响了锂的沉积。尽管表面涂层能有效提高隔膜性能，但其效果很大程度上取决于涂层的最佳厚度。M.-G. Jung等人的研究表明，电池隔膜上陶瓷（氧化铝）涂层的厚度会影响锂离子电池的整体性能。测试了不同厚度的亲水性材料（氧化铝涂层）对PE隔膜的影响，发现较厚的氧化铝涂层提高了隔膜的热稳定性和机械强度。然而，较厚的氧化铝涂层会降低电化学性能。研究了单面涂有2-4 μm氧化铝涂层的隔膜；双面涂层的适当厚度在强度、热稳定性和电池性能方面表现最佳。使用3D形状分析仪分析了厚度变化对热行为、形状变化和收缩的影响。实验表明，涂有4 μm氧化铝涂层的隔膜具有优异的机械强度和热稳定性，这些特性对锂离子电池的安全性和效率至关重要。此外，双面涂层的隔膜具有更小的热收缩、更好的形态和破裂温度以及更佳的循环性能。
由于涂层显著影响隔膜性能，Fu等人[50]概述了锂离子电池的安全性，指出具有陶瓷涂层的隔膜能够满足高温下的收缩减少、抗冲击和穿刺以及优异的化学稳定性要求。由聚酰亚胺（PI）和聚苯并咪唑（PBI）等材料制成的隔膜具有很高的耐温性，提供了出色的热化学稳定性，能够在高温下保持结构稳定，防止热失控和锂枝晶的形成，从而避免短路[51]。此外，使用等离子体、紫外线或化学处理进行表面改性可以增加聚烯烃隔膜的热稳定性、表面润湿性、离子导电性和机械强度，并降低锂离子电池的热阻[52]。
3.4 隔膜的结构设计和集成框架
本小节主要讨论了RQ1（结构特性，如COF通道架构、柱状几何形状、孔隙率）和RQ2（这些特性对放电容量、欧姆热和循环性能的影响）。这些结构的制造方法（RQ3）也进行了介绍。微观结构直接影响电池的离子传输、机械强度和热管理。其功能性还取决于优化的结构，例如均匀的孔隙率、适当的孔径和足够的厚度，以确保电解质的有效吸收并避免短路，同时提高安全性[53]。Ghafari等人[54]指出，将共价有机框架（COFs）引入锂离子电池的隔膜、正极、负极和电解质中可以提高能量密度、循环稳定性和安全性。COFs由高度多孔的网络组成，具有长程有序的开放通道、强的热稳定性和低溶解度。这种内在的热稳定性和化学稳定性使COFs能够在高温和高循环速率下保持结构，从而延长隔膜寿命并避免结构退化。研究还表明，设计良好的COF结构可以提高隔膜的离子导电性、金属离子的迁移性，减少电极侧向反应和锂沉积。COFs（碳纳米纤维）实际上起到了离子筛的作用，通过调节孔径和表面化学性质，允许锂离子的移动并防止与外来物质的非生产性相互作用。从离子传输的角度来看，COFs中定义明确且相互连接的孔道提供了连续的路径，降低了离子阻力，促进了更快的Li⁺扩散[55]。此外，框架内的功能基团通过静电相互作用促进了选择性离子传输，从而提高了离子选择性并抑制了枝晶的形成。在基于COF的隔膜中，多功能性越来越受到重视——特别是那些具有减少离子路径的垂直排列的一维通道，这是开发下一代设计的最有效策略之一。这些对齐的通道减少了迂回性，进一步提高了离子导电性，并保证了隔膜中的均匀离子通量。Li及其同事[56]使用1,3,5-三(4-氨基苯基)苯和2,5-二甲氧基苯-1,4-二醛制备了一种定制设计的COF，用于锂离子电池的隔膜。测试表明，COF的复合程度越高，结合能越低。此外，COFs有助于负电荷基团中的锂离子传输，并且它们还具有可以与不需要的金属离子结合的极性基团。Dou及其同事[57]应用了一种机械化学技术，通过Schiff碱反应合成了两种π共轭COFs，一种来自2,4,6-三氨基吡啶和1,4-邻苯二甲醛，另一种来自1,3,5-三甲基苯。结果，这两种合成的Pa-COF和Tb-COF在液态电解质中保持了优异的结构完整性和化学稳定性，其π共轭共价框架有效地储存了锂离子，优化了性能。这种膜还抑制了锂枝晶的形成，并提高了隔膜的离子导电性。在另一项研究中，Gonçalves等人[58]通过实验表明，柱状微结构隔膜可以显著影响隔膜性能。吸液量在150%到325%之间，离子导电性值为0.8至1.6 mS/cm-1，半电池循环测试显示，带有柱状结构的膜的放电容量优于没有柱状结构的膜。研究人员还研究了隔膜和柱状结构的几何尺寸对电池性能的影响[59]。这些柱状结构是通过表面微图案化工艺制备的，并比较了它们的电化学、物理和结构特性。此外，还基于Newman、Doyle和Fuller电化学模型进行了数值模拟。表7显示了柱状结构的几何参数（直径、高度和基部厚度），这些参数被纳入模拟中，同时保持总固体体积不变。表7. 不同电池隔膜的几何参数[58]。柱状结构隔膜的几何特性
如图7所示，对微结构P(VDF-TrFE)膜的扫描电子显微镜（SEM）分析（从表面和横截面）显示，该膜由三维柱状阵列组成。所有P(VDF-TrFE)膜都显示出有序的柱状图案，孔隙率约为80%，孔径小于5 μm，无论是横截面图像还是表面图像都可见，这使它们非常适合用于锂离子电池。此外，红外光谱用于分析各种聚合物膜的结晶相，如图8所示。分析表明，无论表面图案如何，膜都以trans TTT'高度极性的聚合物链构象结晶，它们在841 cm⁻¹、886 cm⁻¹和1402 cm⁻¹处显示出明显的振动峰[60]。所有膜中的高度极性β相结晶在充放电过程中增强了锂离子的传输，使其有利于电池使用[61]。图8显示，所有膜都表现出亲水性，这从接触角测量中可以看出，接触角约为82°，有助于电解质轻松扩散并渗透到膜中。图8还显示了电解质的吸液情况：所有膜都能迅速吸收电解质，在大约1分钟内达到最大容量。具有柱状结构的样品A吸收最多（接近325%），这归功于其良好的间距和孔隙连接。图8中的Nyquist图显示，所有膜都允许离子有效通过。样品A具有最高的导电性（1.6 mS/cm），其柱状设计有助于容纳更多电解质并使离子快速移动。Gonçalves等人[58]观察到，吸液量在150%到325%之间，导电性在0.8到1.6 mS/cm之间，这些都是高性能隔膜的关键因素。同样，接触面积也很重要，因为它有助于离子更容易移动，从而提高整体电池性能。Gonçalves等人还观察到，较小的柱状直径（例如0.08 mm）在≤80C时提供高达129 mAh/g的放电容量，在130C时表现更好，且欧姆热更低，而较大的直径（0.16 mm）由于较高的离子电阻和较少的自由电解质接触而增加热量并降低性能。同样，增加柱状高度会在高电流密度下降低电池放电容量，因为离子移动距离更长；然而，0.12 mm的高度在性能和热量产生之间提供了最佳平衡。随着柱状高度的增加，欧姆热降低，但由于间距增加，离子流动更加依赖于自由电解质。然而，减少隔膜的厚度也会由于柱状高度和间距的增加而导致性能下降。因此，柱状几何形状、直径和整体厚度会影响电池性能。其中，整体厚度的影响最大，因为较高的厚度在高电流密度下由于离子移动距离较长而降低容量。由于隔膜整体厚度的增加导致离子传输阻力增加，放电容量损失更为明显，这种影响比柱状直径或高度的变化更为显著。这表明，通过优化隔膜柱状结构的几何参数，可以增强电池性能。因此，设计具有柱状微结构的隔膜为下一代高性能锂离子电池提供了有前景的途径。Miranda等人[11]进行了从纳米尺度到宏观尺度的理论电池模拟，从而能够选择材料并研究隔膜的各种性能。隔膜的孔隙具有结构和化学性质，决定了离子的移动性。液体越接近隔膜，液体的微粘度越大，离子移动就越困难。有限元方法（FEM）模拟表明，通过改变隔膜的表面相关性质，可以增强离子传输[62]。此外，已经开发出孔隙率大于50%且孔径在1-32 µm范围内的隔膜，以提高机械稳定性和电池性能[[63], [64], [65]]。
3.5. 通过材料和结构调整进行性能优化
本小节主要讨论RQ2，其中展示了材料和结构修改如何影响能量密度、功率密度和循环稳定性。与RQ1相关的结构特性（聚合物浓度、孔径大小）也进行了讨论。Newman[66]使用Ragone图（表示单位质量的电池能量与单位质量的功率之比）进行了变参数研究，以最大化电池的比能量密度。在此基础上，Doyle和Newman[67]使用不同的电极厚度、孔隙率和电解质，通过Ragone图对电池的特定能量密度进行了参数研究，并提出了一个优化的电池设计。尽管这些是经典的Ragone图研究，但它们提供了基本理论背景，以说明锂离子电池中的基本能量-功率关系。这些工作不是系统综述数据集的一部分，但被纳入其中，以提供解释更广泛电化学系统中隔膜性能的必要背景。同样，Shahbazi等人[68]研究了聚合物和二氧化硅纳米颗粒浓度的变化如何影响所制备隔膜的物理属性和形态。使用聚乙烯醇（PVA）基质和非溶剂诱导相分离方法，研究了孔径大小、润湿特性、电解质吸液量和整体电池性能。图9显示了不同聚合物和二氧化硅纳米颗粒浓度的PVA基隔膜的形态特性。
从图9可以看出，随着PVA浓度的增加，膜变得更密集，孔径更小。提高二氧化硅纳米颗粒的浓度会导致孔径变小。观察了PS 60的孔径分布和平均直径，其孔径范围最广且变化最大，而PS 125的孔径最小。Shahbazi等人[68]还观察到，在电池充放电过程中，当二氧化硅纳米颗粒含量为3 wt%时，电池的整体循环性能得到改善，并且在0.1 C、0.2 C和0.5 C的放电速率下，电池放电容量也有所增加。此外，优化后的复合隔膜（PS 63）的放电容量密度分别为200、188、174 mA h g−1，而商业PP隔膜（Celgard 2500）的放电容量密度分别为180、172、166 mA h g−1。具有较大且不均匀孔径的隔膜可能导致电池性能较差，并增加短路风险。然而，需要注意的是，孔径的减小并不一定保证隔膜性能的提高。虽然小孔径可以增强机械性能并抑制枝晶的渗透，但它们也可能使迂回性增加并阻塞离子传输路径。如果不平衡，这可能导致离子电阻增加和电解质扩散减少。因此，孔径大小、孔隙率、迂回性和电解质吸液量之间的平衡控制着隔膜性能。在PVA/SiO₂隔膜的情况下，最佳二氧化硅含量（例如3 wt%）下的电化学性能表明，孔结构保持足够的连通性，以促进高效的离子传输，同时保持结构稳定性。这说明了需要在减小孔径大小和离子导电性之间找到最佳平衡[69]。Sukenik等人[15]进一步优化了基于塑料的Bellcore隔膜，通过改变二丁基邻苯二甲酸酯（DBP）和二氧化硅（SiO2）的组成。观察到，增加DBP的量会导致离子导电性显著提高，当DBP和SiO2同时增加时，导电性达到峰值5.46 mS/cm。然而，这种导电性的提高与机械强度之间存在权衡。在+25% DBP和−25% SiO2的情况下，机械性能（即韧性和延展性）得到改善，其中韧性最高为7.29 MPa，延展性为223.07%。随着DBP含量的降低和SiO2含量的增加，杨氏模量增加，即+25% SiO2的杨氏模量最高为0.73 MPa。这确保了特定电池应用中的导电性和机械强度之间的平衡。然而，最佳性能的隔膜取决于孔结构。介孔性（孔径100–130 nm）非常适合实现低迂回性和高离子导电性。相比之下，孔径小于50 nm的微孔性和孔径大于130 nm的微孔性都会导致更高的迂回性和较差的传输性能。增加纳米SiO2颗粒可以改善DBP的分散，并将孔隙率从宏观尺度转变为介观尺度，从而减少迂回性并提高导电性。Sukenik等人还展示了DBP/SiO₂的比例（约为12-15，以PVDF-HFP为基准），这种比例能够获得最佳的介孔性和传输性能，并且具有很高的电压稳定性，其导电性相对于参考配方和商用聚烯烃隔膜提高了约280%。4. 讨论、总结和研究的批判性分析 本综述重点介绍了锂离子电池隔膜性能的最新进展，考虑了机械、热学、电学和电化学特性。为了制造高性能的锂离子电池，必须使用表面特性经过优化且稳定的特定材料来设计隔膜。表8总结了关于锂离子电池隔膜的研究。表8. 本系统文献综述中包含的研究发现。研究类别 应用的方法 主要研究问题 参考文献 Sukenik等人 不同组成的DBP/SiO₂组成优化 在Bellcore隔膜中；随着DBP/SiO₂的增加，峰值离子导电性（5.46 mS/cm）提高；杨氏模量随着DBP/SiO₂的减少而增加（在+25% SiO₂时为0.73 MPa）RQ2, RQ3[15] Yang等人 复合隔膜 分层纳米/微米Al₂O₃/聚合物制造 与PE隔膜相比，热导率提高了5倍（1 W·m⁻¹·K⁻¹）；保持0.68-0.75 mS·cm⁻¹的离子导电性RQ1, RQ3[25] Liu等人 复合隔膜 电纺和模板法制备PAN@PSiO纳米纤维膜 在室温下离子导电性提高了1.58×10⁻³ S·cm⁻¹；增强了机械/热性能；有效阻止了枝晶形成RQ2, RQ3[26] Liang等人 复合隔膜 SiO₂纳米球集成 减少了锂枝晶的形成RQ2[32] Hao等人 复合隔膜 PBO纳米纤维制造 在150°C下稳定；运行700小时后减少了枝晶RQ2[33] Li等人 复合隔膜 在PP隔膜上涂覆氧化石墨烯刷 增强了电解液的润湿性RQ1[34] Che等人 制备方法 电纺-热压技术（EHPT） 提高了离子导电性、孔隙率和表面积以及电解液吸收RQ3[35] Xia等人 制备方法 用SN交织的3D框架制备PI纳米纤维 离子导电性提高了1.03×10⁻⁴ S·cm⁻¹；容量为151.2 mAh·g⁻¹（0.2C）；经过150次循环后保留率为91.7%RQ2, RQ3[36] Tang等人 制备方法 使用SIS/PAN（2:8比例）的EHPT 初始容量为146.4 mAh·g⁻¹（0.2C）；经过50次循环后保留率为98.02%；具有良好的拉伸强度/电解液吸收RQ2, RQ3[42] Kim等人 优化方法 通过厚度减少（从52μm到10μm）将能量密度从135.8 Wh/kg提高到212.9 Wh/kgRQ2, RQ3[44] Kumar等人 涂层 在PE隔膜上电子束PVD 130nm LAGP 增强了机械强度、电化学稳定性、电解液吸收、离子导电性，降低了充放电电压RQ2, RQ3[45] Hyun等人 涂层 AlOOH涂层 改进了物理/热性能和电化学性能RQ2, RQ3[46] M.-G. Jung等人 涂层 在PES上变化厚度的氧化铝涂层 单面/双面2-4μm氧化铝涂层 增强了机械/热稳定性和电池性能 更厚的涂层提高了强度和耐热性，但降低了电化学性能RQ1, RQ2[49] Gonçalves等人 结构 柱状微结构膜 吸收率提高了150%至325%，离子导电性在0.8至1.6 mS·cm⁻¹之间，循环性能有所不同；与非柱状隔膜相比放电容量增加RQ1, RQ2[58] Shahbazi等人 优化方法 在复合隔膜中加入3 wt%的二氧化硅纳米颗粒 提高了循环性能和放电容量（0.1C/0.2C/0.5C）；PS-63的性能优于Celgard 2500（分别为200/188/174 mAh·g⁻¹ vs 180/172/166 mAh·g⁻¹）RQ2, RQ3[68] 本研究总结突出了关键发现、不同方法、性能结果，并概述了制造方法、材料组成、关键性能指标和重要观察结果。“主要研究问题”一栏明确将每项研究与第2.1节提出的三个研究问题联系起来。该栏将每项研究分类为主要与RQ1（结构/组成特性）、RQ2（对效率、寿命和安全性的影响）或RQ3（材料设计和制造技术）相关。这种比较概述有助于识别有效的修改策略、相关的权衡以及下一节中讨论的持续研究挑战。虽然表8代表了研究的总体总结，但需要对其进行批判性综合分析，以比较和对比各种方法，揭示不同研究的矛盾发现，并解决这些发现背后的权衡。为此，表9从制造方法、方法在性能方面的优势（例如离子导电性和机械强度）以及与方法相关的限制以及众多研究中揭示的设计挑战等方面，对隔膜开发方法进行了批判性分析。表9. 各种隔膜进展研究的批判性比较。方法/类别 主要优势（作者报告） 主要限制、权衡和冲突 代表性发现/评论 复合填料（SiO₂、Al₂O₃、LDH、陶瓷、GO等） 提高了电解液的润湿性、热耐受性、机械强度，当分散良好时还可以增加离子导电性。- 平衡机械刚度和灵活性，因为增加陶瓷/填料负载会提高强度和耐热性，但通常会降低灵活性，并且如果填料聚集在一起可能会降低有效的离子传输。- 根据填料含量和分散质量，性能趋势存在冲突。- 在优化的DBP/SiO₂比例下观察到最大的离子导电性。- 随着SiO₂负载的增加，杨氏模量增加。- 尽管有证据表明可以减少枝晶，但也对填料重量百分比和分散度敏感[15,32,33]。涂层（氧化铝、AlOOH、LAGP、TiO₂、GO刷、薄无机层） 提高了热稳定性和机械强度；薄涂层（2-4 μm）显著提高了耐热性和坚固性。一些涂层（例如，通过PVD制备的LAGP）提高了离子导电性和稳定性。- 研究表明，较厚的涂层提高了强度，但降低了离子/电化学性能和电阻。- 沉积技术（PVD、ALD、溶胶-凝胶）增加了成本/复杂性。- 对于厚涂层和薄涂层，结果不同。LAGP涂层膜实现了高导电性和热稳定性；过厚的涂层降低了性能[45,46,49]。电纺纤维隔膜和模板纳米纤维膜 产生了高孔隙率、可控的孔形态、良好的电解液吸收和高效的离子通道；当纤维网络优化时，有效阻止了枝晶形成。- 可扩展性和产量问题；如果过度致密化，会提高接触性但降低孔隙率。- 实验室规模的循环性能优异，但长期验证有限。PAN/PBO纳米纤维的吸收率比原始PP高出30%以上，循环稳定性更好[32,35,42]。混合/多层设计（例如，PMIA@PAN+PVDF-HFP/TiO₂、MOF/PAN复合材料） 通过结合互补材料可以平衡热稳定性、机械强度和离子导电性。MOFs提供了可调的离子通道并提高了容量保持率。- 合成复杂，MOFs在电解液中的不稳定性、长期耐用性和可制造性往往被低估。- 实验室结果可能无法在工业上规模化。PMIA@PAN/PVDF-HFP/TiO₂在200次循环后（80°C，1C）保持了76.2%的容量；MOF/PAN在250次循环后保持了81.3%的容量[25,26,32]。制造和混合处理（EHPT、电纺+热压、模板法） EHPT和电纺-热压提高了孔隙率和机械强度，优化后提高了离子导电性和吸收率。- 规模化挑战；工业产量、成本和可重复性被低估。- 工艺参数强烈影响孔隙率与强度之间的权衡。与仅电纺膜相比，EHPT膜显示出25%更高的导电性和更好的结构完整性[35,36,42]。结构工程（柱状微结构、定制孔隙率、厚度控制） 微结构膜和厚度优化提高了吸收率和离子导电性，提高了倍率能力；厚度减少提高了能量密度。- 薄隔膜提高了能量密度，但降低了抗穿刺性。- 微结构增加了制造复杂性。- 导电性差异很大（0.8–1.6 mS·cm⁻¹）。柱状结构膜将倍率能力提高了约20%，但显示出较低的机械韧性[58]。优化和统计方法（DOE、PQRSM） 优化确定了帕累托最优厚度/组成，以平衡相互冲突的指标（能量密度与安全性）。缺乏标准化测试意味着结果可能在不同实验室之间不可转移；通常忽略了长期稳定性或可制造性。基于DOE的优化通过厚度控制将能量密度提高了12–15%[44,68]。根据表8，材料组成、制造策略及其表面改性是提高隔膜性能的关键因素。总体而言，文献表明，需要优化材料组成、制造技术和多维结构设计，以实现高性能隔膜。然而，将这些实验室规模的技术转化为工业制造仍存在相当大的工程挑战。特别是，在大面积上实现均匀涂层仍然是混合隔膜的主要挑战，填料分布的局部差异可能导致性能变化和局部热点。此外，许多高性能制造方法的产量低，与现有的高速卷对卷（R2R）制造工艺的兼容性有限，而这些工艺是实现低成本大规模生产所必需的。此外，在高倍率循环下保持长期稳定性，同时提高机械强度、离子导电性和热安全性是一个关键问题。需要进一步的研究来开发可扩展的制造方案，例如更复杂的涂层方法和多层系统，以便在现实的操作环境中保持一致的操作并加速商业化。5. 结论 锂离子电池已成为最普遍的储能技术，因为它们具有较高的能量密度并且对环境的影响相对较小。隔膜的结构和特性是影响其性能的因素之一，因为它们影响电池的整体效率和安全性。商业锂离子电池的使用仍然存在一些性能缺点，如容量衰减、热性能差、能量传输效率低、安全问题以及整体功率输出减少。本系统文献综述采用了一种结构化的方法来收集和分析来自不同文献研究的数据。主要发现是基于复合材料的隔膜表现更好，具有更高的机械、热学、电学和电化学性能。此外，表面改性，如电子束物理气相沉积、AlOOH涂层和聚乙烯隔膜上的氧化铝层，在提高稳定性和安全性方面也展示了巨大潜力。综述还确定了各种先进的制造技术，包括EHPT和结合SIS/PAN的EHPT，这些技术有助于开发下一代高性能锂离子电池隔膜。6. 未来展望 尽管在提高锂离子电池隔膜的机械强度、热稳定性和离子导电性方面取得了重大进展，但仍然需要在性能与大规模可制造性之间找到平衡。EHPT和其他制造技术产生了高性能膜；然而，它们需要额外的优化以实现可扩展性、成本和工艺的均匀性。未来的研究将集中在开发多功能隔膜上，这些隔膜具有最佳性能、安全性和成本效益的制造技术，并且易于规模化。昂贵的填料或复杂的多层设计可能难以被工业采用，因此可能需要使用可再生、基于生物的材料和可回收材料。最近，机器学习方法已经在预测电池材料性能和加速材料发现方面显示出有效性[70,71]。新的AI和数据驱动的材料设计方法的发展具有巨大的潜力，可以加速隔膜的开发。例如，机器学习（ML）模型，如随机森林和神经网络，可以用来识别结构-性能关系，并根据实验数据集预测离子导电性趋势，包括迂曲度和电解液吸收等参数。此外，贝叶斯优化技术可以帮助优化多组分隔膜系统的组成，从而避免使用传统的试错方法。结合高通量筛选（HTS），这些数据驱动的方法可以更有效地探索材料设计空间，从而识别在电化学性能、安全性和成本之间进行权衡的隔膜设计。下一代隔膜开发的潜在技术路线图可以概述如下：(i) 系统地收集重要隔膜属性的数据（例如，孔隙率、迂曲度、离子导电性和热稳定性），(ii) 使用机器学习模型识别结构-性能关系并预测性能趋势，(iii) 在计算方法（如贝叶斯优化）的帮助下优化材料组成和架构，(iv) 实验验证[72]。开发能够感知、自我修复或抑制枝晶生长的多功能隔膜将是另一个有前景的研究方向，以实现更安全、更智能和更可持续的储能技术。资金 本工作部分得到了Multimedia University在Research Fellow Grant MMUI/250008下的支持，以及Telekom Research & Development Sdn Bhd在Grant RDTC/241149和RDTC/231095下的支持。利益冲突声明 作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。CRediT作者贡献声明 Ihtisham Khan：撰写——原始草稿，概念化。Waleed Jan：正式分析，数据整理。Faiza Jan Iftikhar：撰写——审阅与编辑，正式分析。Muhammad Sheraz：资金获取，正式分析。Muhammad Zulqarnain Abbasi：可视化，验证，正式分析。Wajahat Ullah Khan Tareen：监督，项目管理。Muhammad Faisal Rathore：方法论，调查。Teong Chee Chuah：资金获取，正式分析。
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