鋰電池隔膜二十項(xiàng)性能指標(biāo)
更新時(shí)間：2025-03-08 點(diǎn)擊次數(shù)：821
樸小烯 樸烯晶 2025年03月05日 11:57 上海 鋰電池隔膜一般采用高強(qiáng)度薄膜化的聚烯烴多孔膜，是鋰離子電池四大主材中科技含量最高、國(guó)產(chǎn)化最晚的組件。它的主要功能是電子絕緣、離子導(dǎo)通，即隔離正負(fù)極防止短路，同時(shí)讓電解液中的鋰離子通過(guò)。還可以在電池過(guò)熱時(shí)，通過(guò)閉孔功能來(lái)阻隔電流傳導(dǎo)。隔膜是一種具有微孔結(jié)構(gòu)的薄膜，是鋰離子電池產(chǎn)業(yè)鏈中技術(shù)壁壘的關(guān)鍵內(nèi)層組件。在鋰電池中起到如下兩個(gè)主要作用：1）隔開鋰電池的正負(fù)極，防止正負(fù)極接觸形成短路2）薄膜中的微孔能夠讓鋰離子通過(guò)，形成充放電回路隔膜結(jié)構(gòu)理化特征指標(biāo)
1）厚度：鋰離子電池隔膜的厚度一般≤25μm。在保證一定的機(jī)械強(qiáng)度的前提下，隔膜的厚度越薄越好。現(xiàn)在，新型的高能電池大都采用膜厚 20μm或16μm的單層隔膜；電動(dòng)汽車(EV)和混合電動(dòng)汽車(HEV)所用電池的隔膜在40μm左右，這是電池大電流放電和高容量的需要，而且隔膜越厚，其機(jī)械強(qiáng)度就越好，在組裝電池過(guò)程中不易短路。2) 孔徑和分布：作為電池隔膜材料，本身具有微孔結(jié)構(gòu)，容許吸納電解液；為了保證電池中一致的電極/電解液界面性質(zhì)和均一的電流密度，微孔在整個(gè)隔膜材料中的分布應(yīng)當(dāng)均勻。孔徑的大小與分布的均一性對(duì)電池性能有直接的影響：孔徑太大，容易使正負(fù)極直接接觸或易被鋰枝晶刺穿而造成短路；孔徑太小則會(huì)增大電阻。微孔分布不勻，工作時(shí)會(huì)形成局部電流過(guò)大，影響電池的性能。3）孔隙率：透過(guò)性可用在一定時(shí)間和壓力下通過(guò)隔膜氣體的量的多少來(lái)表征，主要反映了鋰離子透過(guò)隔膜的通暢性。孔隙率對(duì)膜的透過(guò)性和電解液的容納量非常重要。大多數(shù)商用鋰離子電池隔膜的孔隙率在40％- 50％之間。4）透氣性：一定條件下（壓力，測(cè)定面積）一定量空氣通過(guò)隔膜所需要的時(shí)間，稱作Gurly值．隔膜透過(guò)性的大小是隔膜孔隙率、孔徑、孔的形狀及孔曲折度等隔膜內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)綜合因素影響的結(jié)果。5) 曲折度：是隔膜中有效毛細(xì)管的平均長(zhǎng)度(即離子實(shí)際通過(guò)的路程)與隔膜厚度的比值。隔膜孔隙呈理想的平行網(wǎng)柱通道，鋰離子可輕易穿梭，此時(shí)電池的內(nèi)阻小；隔膜孔隙呈曲折狀態(tài)，鋰離子任隔膜中穿梭路徑變長(zhǎng)，降低了鋰離子在正、負(fù)極材料之間往返的速率，因此電池的內(nèi)阻增大，同時(shí)還容易誘導(dǎo)鋰離子枝晶的生長(zhǎng)而刺破隔膜，引起安全隱患。6）電解液濕潤(rùn)性與潤(rùn)濕速度：隔膜的潤(rùn)濕性不好會(huì)增加隔膜和電池的電阻，影響電池的循環(huán)性能和充放電效率。隔膜的潤(rùn)濕速度是指電解液進(jìn)入隔膜微孔的快慢，它與隔膜的表面能、孔徑、孔隙率、曲折度等特性有關(guān)。7）吸液率與保液率：由于電池隔膜材料兼具電解質(zhì)的功能，所以必須具備下列條件：足夠的吸液率以保證離子通道暢通無(wú)阻，而且在電池體系中，不可避免的會(huì)有大量的副反應(yīng)發(fā)生，消耗大量的電解液，所以必須有足夠的貯備，否則就會(huì)由于電解液的缺少引起界面電阻的增加，同時(shí)還會(huì)加速電解液的消耗，這將是惡性的循環(huán)，所以吸液率是個(gè)很重要的隔膜參數(shù)。保液率差導(dǎo)致電池內(nèi)阻增加，影響循環(huán)與充放電性能。8）化學(xué)穩(wěn)定性：主要是指隔膜電解液中的耐腐蝕性和尺寸穩(wěn)定性。由于電解液中含有大量有機(jī)物質(zhì)，因此要求隔膜在浸潤(rùn)時(shí)不能和電解液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，同時(shí)要求有較好的尺寸穩(wěn)定性，不發(fā)生脹縮和變形。目前尚無(wú)隔膜化學(xué)穩(wěn)定性的相關(guān)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，但要求用于制造隔膜的材料能夠保證電池長(zhǎng)時(shí)間正常使用。1）抗拉強(qiáng)度：拉伸強(qiáng)度是反映隔膜在使用過(guò)程中受到外力作用時(shí)維持尺寸穩(wěn)定性的參數(shù)，若拉伸強(qiáng)度不夠，隔膜變形后不易恢復(fù)原尺寸會(huì)導(dǎo)致電池短路。隔膜的抗張強(qiáng)度與膜的制作工藝有關(guān)。2）刺穿強(qiáng)度：抗穿刺強(qiáng)度是指施加在給定針形物上用來(lái)戳穿給定隔膜樣本的質(zhì)量，它用來(lái)表征隔膜裝配過(guò)程中發(fā)生短路的趨勢(shì)。電池的組裝和拆卸，以及實(shí)際使用中反復(fù)充放電等因素，要求隔膜必須具備一定的物理強(qiáng)度以克服上述過(guò)程中的物理沖擊、穿刺、磨損和壓縮等作用帶來(lái)的損壞，因此需要考察隔膜的穿刺強(qiáng)度。3）混合穿刺強(qiáng)度：混合穿刺強(qiáng)度測(cè)試的是電極混合物刺穿隔膜造成短路時(shí)隔膜所受到的力。合穿刺強(qiáng)度一般用于電池發(fā)生短路概率的評(píng)估，由于鋰離子電池的隔膜與正、負(fù)極的粗糙表面有接觸，在電池的組裝和使用過(guò)程中，電極表面有可能將隔膜刺穿，因此混合穿刺強(qiáng)度相對(duì)穿刺強(qiáng)度而言是一種動(dòng)態(tài)的指標(biāo)參數(shù)。1）熱穩(wěn)定性：熱穩(wěn)定性是指隔膜在電池工作溫度范圍內(nèi)保持其化學(xué)和物理特性 不變的 能力。隔膜的熱穩(wěn)定性不足會(huì)導(dǎo)致熱失控和電池過(guò)熱，這是電池安全性問(wèn)題的主要原因之一。2）熱閉合溫度：熱閉合效應(yīng)是隔膜對(duì)鋰電池的一種特殊保護(hù)機(jī)制，即當(dāng)電池的使用溫度過(guò)高時(shí)，隔膜會(huì)自動(dòng)將原來(lái)可以讓鋰離子自由透過(guò)的微孔閉合，阻止鋰離子在正、負(fù)極之間的交換，使電池內(nèi)阻增大，從而避免了因溫度過(guò)高和電流過(guò)大而造成的短路甚至是爆炸的危險(xiǎn)。但是隔膜的閉合性是單向不可逆的，即一旦發(fā)生自閉合效應(yīng)，電池便報(bào)廢、不再具有使用價(jià)值。隔膜通常采用聚合物作為基材，因此當(dāng)電池的溫度達(dá)到了隔膜基材的熔點(diǎn)時(shí)，聚合物熔融流動(dòng)，從而導(dǎo)致原有的微孔結(jié)構(gòu)閉合，即基材的熔點(diǎn)一般為隔膜的熱閉合溫度。3）熔融破裂溫度：隔膜的熔融破裂溫度是指溫度達(dá)到熱閉合溫度后進(jìn)一步上升，隔膜基材由于高溫熔融而處于黏流狀態(tài)，力學(xué)性能下降并自發(fā)破裂時(shí)的溫度。由于隔膜破裂等效于電路中發(fā)生了短路，因此電池的電阻將下降為零。4）熱收縮率：由于在高溫下隔膜易發(fā)生收縮形變，因此可以通過(guò)熱收縮率來(lái)表征隔膜高溫下的尺寸穩(wěn)定性。1）線性伏安掃描測(cè)試(LSV)：為了研究隔膜的電化學(xué)穩(wěn)定性，通常對(duì)其進(jìn)行線性伏安掃描測(cè)試。具體的操作方法是將隔膜夾在不銹鋼片和金屬鋰片之間，組裝成為扣式電池，其中不銹鋼片作為工作電極、金屬鋰片作為參比電極，并用IVIUM電化學(xué)工作站對(duì)其測(cè)試。通常可以采用1.0mV／s的掃描速率，電壓則可以從開路設(shè)置到6.0V。2）電化學(xué)阻抗譜測(cè)試(EIS)：電化學(xué)阻抗譜是研究電化學(xué)界面過(guò)程的重要方法，被廣泛應(yīng)用于研究鋰離子在碳材料和過(guò)渡金屬氧化物中的嵌入和脫出過(guò)程，同時(shí)也被用于研究電池中隔膜對(duì)鋰離子透過(guò)性的影響。一般情況下，用交流法測(cè)量的電化學(xué)阻抗譜圖中，可以得到電池的內(nèi)阻(和隔膜的電阻有關(guān))，因此可以用此方法得到電池的電荷轉(zhuǎn)移電阻。采用IVIUM電化學(xué)工作站測(cè)試，頻率為0.1Hz一100kHz。3）循環(huán)性能(CP)：電池的循環(huán)性能主要由循環(huán)次數(shù)、放電容量和保留容量3個(gè)指標(biāo)來(lái)衡量。電池連續(xù)重復(fù)進(jìn)行多次的充放電行為稱為循環(huán)充放電，電池循環(huán)充放電的次數(shù)稱為循環(huán)次數(shù)；放電容量是指電池充滿電后第一次的放電容量；保留容量是指完成一定次數(shù)的循環(huán)充放電后，電池依舊保持的放電容量。通常至少循環(huán)100次以后，得到的循環(huán)性能的數(shù)據(jù)才有說(shuō)服力。因此，隔膜的性能優(yōu)劣，直接影響到電池的循環(huán)性能。4）離子電導(dǎo)率：離子電導(dǎo)率和離子電阻率互為倒數(shù)，實(shí)際測(cè)試得到的通常是電池的離子電阻，即體積電阻。5）Mac-Mullin值：Mac-Mullin值(Nm)是指在飽和電解液中的多孔介質(zhì)的電阻與相同體積的飽和電解液電阻的比值。因?qū)嶋H測(cè)得的電池體積電阻(Rb)也包含了隔膜的電阻(Rs)和電解液的電阻(Re)。
