電池隔膜 

 

隔膜是鋰離子電池的重要組成部分,是用于隔開正負(fù)極極片的微孔膜，是具有納米級微孔結(jié)構(gòu)的高分子功能材料。

 

其主要功能是防止兩極接觸而發(fā)生短路同時使電解質(zhì)離子通過。

 

其性能決定著電池的界面結(jié)構(gòu)、內(nèi)阻等, 直接影響著電池的容量、循環(huán)以及電池的安全性能。

 

 隔膜作用 

 

保證鋰離子自由通過形成回路

阻止正負(fù)極接觸起到電子絕緣作用

溫過高時,閉孔效應(yīng)阻止電流傳導(dǎo),保證安全性

 

 隔膜種類 

 

單層PE (聚乙烯)

單層PP (聚丙烯)

PP/PE/PP復(fù)合膜

復(fù)合陶瓷隔膜

 

鋰電池隔膜材料多為多孔性聚烯烴，制備方法主要有濕法與干法兩種，濕法也稱為相分離法（TIPS），干法也叫熔融拉伸（MSCS），拉伸的目的在于提高隔膜的孔隙率和強度。不同工藝的對比詳見下表：

 

 

 隔離膜性能參數(shù)的表征 

 

鋰離子電池隔膜性能參數(shù)的表征主要可分為結(jié)構(gòu)特性、力學(xué)性能和理化性質(zhì)等幾個方面。

 

1、隔膜的結(jié)構(gòu)特性：

 

主要包括厚度、孔徑及分布、孔隙率、透過性、微觀形貌等參數(shù)

 

2、力學(xué)性能

 

拉伸強度、抗穿刺強度

 

3、理化性質(zhì)

 

潤濕性和潤濕速度、化學(xué)穩(wěn)定性、安全保護(hù)性能

 

4、熱性能

 

熱閉合溫度、熔融破裂溫度、熱收縮率

 

5、電化學(xué)性能

 

線性伏安掃描測試(LSV)、電化學(xué)阻抗譜測試(EIS)、循環(huán)性能(CP)、離子電導(dǎo)率

 

 鋰電池隔膜的要求  

 

具有電子絕緣性，保證正負(fù)極的機械隔離；

 

有一定的孔徑和孔隙率，保證低的電阻和高的離子電導(dǎo)率，對鋰離子有很好的透過性；

 

由于電解質(zhì)的溶劑為強極性的有機化合物，隔膜必須耐電解液腐蝕，有足夠的化學(xué)和電化學(xué)穩(wěn)定性；

 

對電解液的浸潤性好并具有足夠的吸液保濕能力；

 

具有足夠的力學(xué)性能，包括穿刺強度、拉伸強度等，但厚度盡可能小；

 

空間穩(wěn)定性和平整性好；

 

熱穩(wěn)定性和自動關(guān)斷保護(hù)性能好。

 

動力電池對隔膜的要求更高，通常采用復(fù)合膜。

 

 案例分享 

 

本實驗選用雙向熱拉伸強化的聚乙烯（PE）隔膜為測試對象

 

特點：在md/td方向均具有高的拉伸強度，厚度方向的穿刺強度和抗撕裂及抗微短路性能均優(yōu)于干法單拉pp隔膜，膜更薄，多用于高能量密度的電池中。

 

1.1 電池隔膜形貌測試

 

測試設(shè)備：場掃描電子顯微鏡（SEM）

 

參考GB/T 16594-2008 微米級長度的掃描電鏡測量方法通則

 

 

采用場掃描電子顯微鏡表征此PE膜的表面形貌，結(jié)果如圖所示：

 

可以看出，采用濕法雙向熱拉伸強化的聚乙烯（PE）隔膜，微孔形狀類似圓形的三維纖維狀，孔徑較小且分布均勻，微孔內(nèi)部形成相互連通的彎曲通道，可以得到更高的孔隙率和更好的透氣性。

 

1.2 電池隔膜孔徑測試

 

作為鋰離子電池隔膜材料，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。

 

測試設(shè)備：PMI孔徑分析儀

 

測試標(biāo)準(zhǔn)：ASTMF316-03《StandardTestMethodsforPoreSizeCharacteristicsofMembraneFiltersbyBubblePointandMeanFlowPoreTest》

 

 

1.3 薄膜厚度測試

 

厚度是鋰離子電池隔膜最基本的參數(shù)之一，通常和鋰離子的透過性成反比、跟隔膜的力學(xué)性能成正比，故在滿足機械強度的條件下應(yīng)盡可能減小隔膜厚度以提升電池性能。

 

設(shè)備：基恩士非接觸式測厚儀

 

測試標(biāo)準(zhǔn):薄膜厚度測試的標(biāo)準(zhǔn)GB/T6672-2001《塑料薄膜與薄片厚度的測定機械測量法》

 

ASTMD374M-13《StandardTestMethodsforThicknessofSolidElectricalInsulation》

 

 

基恩士專為薄膜、晶圓、玻璃、涂布等行業(yè)超薄產(chǎn)品提供全新檢測方案。

 

經(jīng)過三次測試，此電池薄膜的厚度是38.2μm、38.3μm、38.2μm，平均值為38.2μm

 

1.4 電池隔膜孔隙率測試

 

孔隙率對膜的透過性和電解液的容納量非常重要。可以定義為：孔的體積與隔膜所占體積的比值，即單位膜的體積中孔的體積百分率，它與原料樹脂及制品的密度有關(guān)。較為常用的是有三種方法可以測試出孔隙率，一種是采用稱重法，即測試出隔膜的體積，并通過隔膜材料的真實密度計算出隔膜中孔的體積即為孔隙率；另一種是壓汞法測試。

 

測試設(shè)備：麥克 AutoPore V 9600

 

方法原理：壓汞法

 

測試標(biāo)準(zhǔn)：GB／T21650．2-2008《壓汞法和氣體吸附法測定固體材料孔徑分布和孔隙度第2部分：氣體吸附法分析介孔和大孔》

 

經(jīng)過三次測試，此電池薄膜的孔隙率是：

 

40.17%、40.19%、40.14%

 

1.5 電池隔膜透過性

 

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。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。其中孔曲折度對透過性影響最大，孔曲折度升高將使透過性呈平方級下降。

 

式中：T-孔的曲折度，Ls-氣體或液體實際通過的路程長，d-隔膜的厚度。

 

1）可以用壓降儀來測定電池隔膜的透氣率，壓降隨時間下降越快，表明隔膜的透氣率越高，反之則愈低。一般而言，孔隙率越低，壓降下降越慢，透氣率越低。

 

2）隔膜廠家現(xiàn)在基本以透氣度、孔隙度指標(biāo)來衡量透氣性。透氣率是指特定的空氣在特定的壓力下通過特定面積隔膜所需要的時間，用Gurley值來表示。

 

根據(jù)隔膜厚度，一般在300-700s/100ml。