鋰電池隔膜二十項性能指標(biāo)
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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，同時讓電解液中的鋰離子通過。還可以在電池過熱時，通過閉孔功能來阻隔電流傳導(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。在保證一定的機械強度的前提下，隔膜的厚度越薄越好?，F(xiàn)在，新型的高能電池大都采用膜厚 20μm或16μm的單層隔膜；電動汽車(EV)和混合電動汽車(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，其機械強度就越好，在組裝電池過程中不易短路。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；孔徑太小則會增大電阻。微孔分布不勻，工作時會形成局部電流過大，影響電池的性能。3）孔隙率：透過性可用在一定時間和壓力下通過隔膜氣體的量的多少來表征，主要反映了鋰離子透過隔膜的通暢性?？紫堵蕦δさ耐高^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，測定面積）一定量空氣通過隔膜所需要的時間，稱作Gurly值．隔膜透過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)管的平均長度(即離子實際通過的路程)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，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，同時還容易誘導(dǎo)鋰離子枝晶的生長而刺破隔膜，引起安全隱患。6）電解液濕潤性與潤濕速度：隔膜的潤濕性不好會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阻，而且在電池體系中，不可避免的會有大量的副反應(yīng)發(fā)生，消耗大量的電解液，所以必須有足夠的貯備，否則就會由于電解液的缺少引起界面電阻的增加，同時還會加速電解液的消耗，這將是惡性的循環(huán)，所以吸液率是個很重要的隔膜參數(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物質(zhì)，因此要求隔膜在浸潤時不能和電解液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，同時要求有較好的尺寸穩(wěn)定性，不發(fā)生脹縮和變形。目前尚無隔膜化學(xué)穩(wěn)定性的相關(guān)測試標(biāo)準(zhǔn)，但要求用于制造隔膜的材料能夠保證電池長時間正常使用。1）抗拉強度：拉伸強度是反映隔膜在使用過程中受到外力作用時維持尺寸穩(wěn)定性的參數(shù)，若拉伸強度不夠，隔膜變形后不易恢復(fù)原尺寸會導(dǎo)致電池短路。隔膜的抗張強度與膜的制作工藝有關(guān)。2）刺穿強度：抗穿刺強度是指施加在給定針形物上用來戳穿給定隔膜樣本的質(zhì)量，它用來表征隔膜裝配過程中發(fā)生短路的趨勢。電池的組裝和拆卸，以及實際使用中反復(fù)充放電等因素，要求隔膜必須具備一定的物理強度以克服上述過程中的物理沖擊、穿刺、磨損和壓縮等作用帶來的損壞，因此需要考察隔膜的穿刺強度。3）混合穿刺強度：混合穿刺強度測試的是電極混合物刺穿隔膜造成短路時隔膜所受到的力。合穿刺強度一般用于電池發(fā)生短路概率的評估，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程中，電極表面有可能將隔膜刺穿，因此混合穿刺強度相對穿刺強度而言是一種動態(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)定性不足會導(dǎo)致熱失控和電池過熱，這是電池安全性問題的主要原因之一。2）熱閉合溫度：熱閉合效應(yīng)是隔膜對鋰電池的一種特殊保護(hù)機制，即當(dāng)電池的使用溫度過高時，隔膜會自動將原來可以讓鋰離子自由透過的微孔閉合，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高和電流過大而造成的短路甚至是爆炸的危險。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)，電池便報廢、不再具有使用價值。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時，聚合物熔融流動，從而導(dǎo)致原有的微孔結(jié)構(gòu)閉合，即基材的熔點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，因此可以通過熱收縮率來表征隔膜高溫下的尺寸穩(wěn)定性。1）線性伏安掃描測試(LSV)：為了研究隔膜的電化學(xué)穩(wěn)定性，通常對其進(jìn)行線性伏安掃描測試。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)工作站對其測試。通?？梢圆捎?.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)阻抗譜測試(EIS)：電化學(xué)阻抗譜是研究電化學(xué)界面過程的重要方法，被廣泛應(yīng)用于研究鋰離子在碳材料和過渡金屬氧化物中的嵌入和脫出過程，同時也被用于研究電池中隔膜對鋰離子透過性的影響。一般情況下，用交流法測量的電化學(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個指標(biāo)來衡量。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)，實際測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)。
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