セパレータはリチウムイオン電池のコア素子の一つとして、その主な役割は機械的に電池の正、負極を隔離し、両者が直接接触して短絡するのを防止し、電子の通過を阻害すると同時にリチウムイオンの円滑な移動を許可することである。
セパレータはリチウムイオン電池のコア素子の一つとして、その主な役割は機械的に電池の正、負極を隔離し、両者が直接接触して短絡するのを防止し、電子の通過を阻害すると同時にリチウムイオンの円滑な移動を許可することである。ダイアフラムは高付加価値、高技術障壁を有する材料である。電気化学反応に直接関与しないが、その構造と性能は最終的に電池の使用安全性、サイクル寿命、放電容量などの実際の動作パラメータに影響を与える。
現在、商業化されているセパレータは主にポリエチレン（PE）やポリプロピレン（PP）などのポリオレフィン類である。しかし、ポリオレフィン系隔膜にはいくつかの問題が残っている：ポリオレフィンは融点が低く、製造されたダイアフラムの熱寸法安定性が悪く、電池の高温使用安全性に隠れた危険性をもたらし、
ポリオレフィン材料は極性が低く、真性疎水性であり、高極性電解液との親和性が悪い、
ポリオレフィン材料は主に乾式法または湿式法を用いて膜を製造し、製造された隔膜の空隙率は比較的に低く（約40%）、Li+の膜貫通輸送に一定の抵抗をもたらした。
そのため、高品質の耐高温電池ダイアフラムの開発は重要な意義がある。ポリイミド（Polyimide、PIと略記）とは、主鎖にイミド環（−CO−N−CO−）を含むものを指し、総合性能が最も優れている1つである。PI材料は従来のポリオレフィン材料の代わりに理想的なダイアフラム材料になることが期待されている。まず、PI材料は突出した耐高温性能を有し、長期使用温度は300℃に達することができ、ダイアフラムに良好な熱寸法安定性を与え、電池の高温使用安全性を高める、第二に、PI分子構造中に豊富な極性基を含み、電解液の浸潤性がより良く、セパレータ/電解液間の界面性能と電池の総合性能を高めるのに役立つ、最後に、PI材料は難燃性で自己消灯し、リチウムイオン電池により強力な安全保障を提供した。従来のPI材料はほとんどの有機溶媒に溶解しにくく、非常に高い溶融温度Tmとガラス転移温度Tgを有する。このような「難溶難融」の特性は、PI材料の加工成膜性を大きく制限している。文献によると、現在のPIセパレータの製造方法は主にテンプレート法、相転化法、静電紡糸法を含む。テンプレート法はまず孔形成剤を含むPI複合膜を製造し、その後化学腐食、溶媒溶解または焼成などの方法で孔形成剤を除去し、PI多孔質膜を得る必要がある。一般的に使用される孔形成剤としては、金属酸化物、水酸化物、非金属酸化物などがある。何向明課題群はナノSiO 2を造孔剤とし、HF溶液を再利用して除去してPI多孔質膜を得た。研究により、このPI多孔質膜は優れた熱寸法安定性を有し、180℃で顕著な収縮現象は発生しなかったが、商用のCelgard 2300ダイアフラムは150℃で40%の収縮率に達した。浸漬沈殿法は、ポリアミック酸（PAA）前駆体溶液または可溶性PI溶液をガラスなどの担体にスパッタリングし、非溶媒に浸漬し、その溶媒/非溶媒の混合溶液中でポリマーを用いて相分離する。溶媒を除去すると、非溶媒が占める空間に細孔が形成される。鋳造膜液の配合とプロセス条件を変更することにより、多孔質膜の孔構造を簡単で効果的に制御することができる。浙江大学朱宝庫課題グループはポリアミック酸（PAA）を前駆体とし、浸漬相沈殿法と熱イミド化法を結合してPI（PMDA-ODA）多孔質膜を製造した。孔形成剤PEG 400の添加量を変えてPI多孔質膜の孔構造を調整し、サブミクロン級のスポンジ状孔構造を得た。調製したPI多孔質膜は優れた熱寸法安定性を示した：180℃で1 h加熱し、明らかな収縮現象は現れなかった。また、PI多孔質膜は良好な電解液浸潤性を有し、電解液との接触角はわずか9.3°であり、商業PPセパレータ（64.8°）よりはるかに低い。Liなどは、孔形成剤としてジブチルフタレート（DBP）とグリセリン（Gly）の混合物を利用する。この方法で製造されたPI多孔質膜は、単一様孔質剤に比べて孔構造がより均一であり、孔率がより高い。特に、組み立てられた電池は、140℃で1 h加熱した後も正常に動作する。静電紡糸技術の基本原理はポリマー溶液に高圧静電を印加し、液体表面の電荷反発力がその表面張力より大きい場合、針ノズルにテーラーコーンを形成することである。高速に噴出されたポリマー溶液は延伸、変形、劈開を経て、溶液の揮発に伴ってポリマー溶液ジェットが硬化し、最後に受信機上に堆積してナノ繊維膜を形成する。静電紡糸技術は装置が簡単で、適用物質の種類が多く、巨視的に製造できるなどの多くの利点を有し、すでにPIダイアフラムを製造する有効な方法の一つとなっている。静電紡糸技術によって製造されたナノ繊維膜は3 Dネットワーク構造と高い気孔率を有し、リチウムイオンの急速な移動に豊富な通路を提供している。従来の不織布に比べて、ナノファイバー膜の繊維径はより細く（数ナノメートルから数百ナノメートルの間）、孔径はより小さく、電池の自己放電現象を緩和するのに有利である。また、グラフトまたは共重合不安定セグメント法、湿式抄紙技術、照射エッチング法などの他の成膜方法も探索した。静電紡糸技術を用いて製造されたPIナノファイバー膜は高い空隙率と良好な電解液浸潤性を持っているが、高い空隙率は膜の力学性能の低下をもたらし、電池の組み立てと使用に圧力をもたらす。一方、PIナノファイバー膜の大孔径寸法も電池の自己放電問題をもたらしている。そこで、研究者はPIセパレータ、特にPIナノファイバー膜に対して一連の高性能化改質作業を行った。表面被覆改質とは、ベースフィルム表面に機能層を堆積または被覆して改質を実現する方法を指す。例えば採PIナノファイバー膜をAl 2 O 3ナノ粒子でコーティング改質した。Al 2 O 3ナノ粒子の表面には豊富な極性基が含まれており、PIナノファイバー膜と電解液との親和性を高め、電池の界面インピーダンスを低下させるのに有利である。
200サイクルを経て、Al 2 O 3被覆PIナノファイバー膜によって組み立てられた電池の界面インピーダンスは45.8Ωで、純PIナノファイバー膜（51.1Ω）とPPダイアフラム（63.4Ω）より低かった。10 Cの高倍率サイクルでは、組み立てられた電池の放電容量保持率は78.91%で、純PIナノファイバー膜（68.65%）と商業PP隔膜（18.25%）より高かった。
Shiらは、PIナノファイバー膜表面にPE微粒子をコーティングすることにより、熱閉塞機能を有するPI/PE複合ナノファイバー膜の構築に成功した。この複合ナノ繊維フィルムは優れた熱寸法安定性を示した：230℃で0.5 h加熱し、収縮率は10%未満である。同時に、電池温度がPE融点に近づくと、PE部分が溶融して微孔を閉じ、電池内部抵抗を増加させ、通過する電流を減少させ、さらに化学反応の発生を阻止する。
コーティング改質法はダイアフラムの機能化改質を実現することができるが、いくつかの欠点が残っている：一方、コーティング層の導入はダイアフラム品質を増加させ、電池のエネルギー密度を低下させる、第二に、コーティング層はある程度の孔塞ぎ効果をもたらし、Li+移動の抵抗を増加させる;最後に、コーティング層と基体との相互作用が弱い場合、界面間抵抗が増加し、長期使用中に脱落のリスクがある。ブレンドも簡単で効果的な高性能化改質方法であり、成膜前または過程に改質剤を導入する必要があるだけである。Shayapatらはポリアミド酸アンモニウム塩（PAAS）を用いてSiO 2及びAl 2 O 3ナノ粒子とブレンドし、PIハイブリッドナノファイバー膜を作製した。コーティング改質と比較して、ブレンド改質は単一繊維に基づいており、ナノ繊維膜の3 Dネットワーク構造を保持しており、多層構造の形成によりダイアフラムのイオン伝導率が低下する問題を回避している。試験により、PIハイブリッドナノファイバー膜の空隙率と吸液率はそれぞれ90%と790%に達することが分かった。
Chenらは4ヘッド交差静電紡糸技術を用いてPI/ポリフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロイソプロピレン共重合体（PVDF−HFP）複合ナノ繊維膜を製造した。その中で、PI材料は良好な熱寸法安定性を提供し、電池の高温使用安全性を保証する。PVDF−HFP材料は比較的低い温度で溶融し、ナノ繊維間の結合を増加させ、複合ナノ繊維膜の力学性能を向上させる。ゲル充填法、すなわちPIダイアフラム内部孔にゲルポリマー電解質を注入し、PIダイアフラムの吸液保液能力を改善する。例えば、PI不織布と2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸（AMPS）の特性優位性を結合することにより、AMPSのその場重合生成物PAMPSを用いてPI不織布にゲル充填改質を行う。静電紡糸を用いて製造されたナノ繊維膜では、繊維と繊維との間に相互作用が存在しないため、ナノ繊維膜の機械的強度が低く、電池組立過程における隔膜への張力要求を満たすことが困難である。ナノ繊維膜の機械的強度を高めるために、研究者は熱マイクロ架橋、溶性マイクロ架橋、アルカリ液エッチング、同軸紡糸などの手段を用いて架橋構造を有するPIナノ繊維膜を製造した。
黄色などの主鎖が可撓性単位を含む一連のPAAナノファイバー膜を設計し合成した。このようなPAAナノファイバー膜は熱イミド化の過程で、繊維と繊維の間に熱誘起微小架橋現象を発生させ、架橋構造を有するPIナノファイバー膜を形成することができる。熱処理の時間と温度を制御することにより、架橋の程度を効果的に制御することができる。接着点の導入により、ナノ繊維フィルムの強度は大幅に向上した。現在、米国のデュポンと江西省の先材だけに少量のポリイミドセパレータの関連製品が発売されている。2010年、デュポン社はEnergain PIダイヤフラムを開発し、米国バージニア州に工場を建設すると発表した。報道によると、その隔膜は電池のより高温での使用要求を満たすことができ、同時に電池の電力量を15%-30%高め、電池の航続能力を延長することができる。
デュポン社がPIダイヤフラムを生産する原材料のコストは約2.8元/平方メートルと試算されているが、韓国で生産されたPIダイヤフラムの価格は人民元換算で80元/平方メートルに達し、中国への販売も禁止されている。
PI材料はその突出した耐熱性と良好な電解液浸潤性によって、特に電池の高温使用の安全性を保障する上で大きな競争優位を持って、現在研究の多いダイヤフラム材料である。しかし、PI材料の「難溶難融」の特性は、その成膜加工性が劣ることを制限している。
テンプレート法には孔形成剤の除去が不完全であり、イミン化の程度が低いなどの問題がある。浸漬沈殿法は延伸過程における欠陥を回避することができるが、PAA前駆体は溶媒との相互作用が強く、分離過程は時間がかかり、工業応用の将来性は限られている。静電紡糸技術により製造されたナノファイバー膜も均一性が悪く、機械的強度が低いという問題があった。
また、紡糸プロセスは環境に厳しい。そのため、PIダイアフラムの産業化プロセスを高めるには、PI分子構造設計及び改質機構の重点的な研究開発が必要であるほか、PIダイアフラムの成膜製造技術及び関連生産設備と技術の面でも研究開発に力を入れる必要がある。次に、原料の生産能力を拡大し、プロセスフローを最適化し、加工効率を高めるなどの方法でPIダイヤフラムの生産コストを下げ、PIダイヤフラムの急速な普及と応用を実現する肝心な問題でもある。
