电池隔膜 

 

隔膜是锂离子电池的重要组成部分,是用于隔开正负极极片的微孔膜，是具有纳米级微孔结构的高分子功能材料。

 

其主要功能是防止两极接触而发生短路同时使电解质离子通过。

 

其性能决定着电池的界面结构、内阻等, 直接影响着电池的容量、循环以及电池的安全性能。

 

 隔膜作用 

 

保证锂离子自由通过形成回路

阻止正负极接触起到电子绝缘作用

温过高时,闭孔效应阻止电流传导,保证安全性

 

 隔膜种类 

 

单层PE (聚乙烯)

单层PP (聚丙烯)

PP/PE/PP复合膜

复合陶瓷隔膜

 

锂电池隔膜材料多为多孔性聚烯烃，制备方法主要有湿法与干法两种，湿法也称为相分离法（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强度。不同工艺的对比详见下表：

 

 

 隔离膜性能参数的表征 

 

锂离子电池隔膜性能参数的表征主要可分为结构特性、力学性能和理化性质等几个方面。

 

1、隔膜的结构特性：

 

主要包括厚度、孔径及分布、孔隙率、透过性、微观形貌等参数

 

2、力学性能

 

拉伸强度、抗穿刺强度

 

3、理化性质

 

润湿性和润湿速度、化学稳定性、安全保护性能

 

4、热性能

 

热闭合温度、熔融破裂温度、热收缩率

 

5、电化学性能

 

线性伏安扫描测试(LSV)、电化学阻抗谱测试(EIS)、循环性能(CP)、离子电导率

 

 锂电池隔膜的要求  

 

具有电子绝缘性，保证正负极的机械隔离；

 

有一定的孔径和孔隙率，保证低的电阻和高的离子电导率，对锂离子有很好的透过性；

 

由于电解质的溶剂为强极性的有机化合物，隔膜必须耐电解液腐蚀，有足够的化学和电化学稳定性；

 

对电解液的浸润性好并具有足够的吸液保湿能力；

 

具有足够的力学性能，包括穿刺强度、拉伸强度等，但厚度尽可能小；

 

空间稳定性和平整性好；

 

热稳定性和自动关断保护性能好。

 

动力电池对隔膜的要求更高，通常采用复合膜。

 

 案例分享 

 

本实验选用双向热拉伸强化的聚乙烯（PE）隔膜为测试对象

 

特点：在md/td方向均具有高的拉伸强度，厚度方向的穿刺强度和抗撕裂及抗微短路性能均优于干法单拉pp隔膜，膜更薄，多用于高能量密度的电池中。

 

1.1 电池隔膜形貌测试

 

测试设备：场扫描电子显微镜（SEM）

 

参考GB/T 16594-2008 微米级长度的扫描电镜测量方法通则

 

 

采用场扫描电子显微镜表征此PE膜的表面形貌，结果如图所示：

 

可以看出，采用湿法双向热拉伸强化的聚乙烯（PE）隔膜，微孔形状类似圆形的三维纤维状，孔径较小且分布均匀，微孔内部形成相互连通的弯曲通道，可以得到更高的孔隙率和更好的透气性。

 

1.2 电池隔膜孔径测试

 

作为锂离子电池隔膜材料，本身具有微孔结构，容许吸纳电解液；为了保证电池中一致的电极/电解液界面性质和均一的电流密度，微孔在整个隔膜材料中的分布应当均匀。孔径的大小与分布的均一性对电池性能有直接的影响：孔径太大，容易使正负极直接接触或易被锂枝晶刺穿而造成短路；孔径太小则会增大电阻。

 

测试设备：PMI孔径分析仪

 

测试标准：ASTMF316-03《StandardTestMethodsforPoreSizeCharacteristicsofMembraneFiltersbyBubblePointandMeanFlowPoreTest》

 

 

1.3 薄膜厚度测试

 

厚度是锂离子电池隔膜最基本的参数之一，通常和锂离子的透过性成反比、跟隔膜的力学性能成正比，故在满足机械强度的条件下应尽可能减小隔膜厚度以提升电池性能。

 

设备：基恩士非接触式测厚仪

 

测试标准:薄膜厚度测试的标准GB/T6672-2001《塑料薄膜与薄片厚度的测定机械测量法》

 

ASTMD374M-13《StandardTestMethodsforThicknessofSolidElectricalInsulation》

 

 

基恩士专为薄膜、晶圆、玻璃、涂布等行业超薄产品提供全新检测方案。

 

经过三次测试，此电池薄膜的厚度是38.2μm、38.3μm、38.2μm，平均值为38.2μm

 

1.4 电池隔膜孔隙率测试

 

孔隙率对膜的透过性和电解液的容纳量非常重要。可以定义为：孔的体积与隔膜所占体积的比值，即单位膜的体积中孔的体积百分率，它与原料树脂及制品的密度有关。较为常用的是有三种方法可以测试出孔隙率，一种是采用称重法，即测试出隔膜的体积，并通过隔膜材料的真实密度计算出隔膜中孔的体积即为孔隙率；另一种是压汞法测试。

 

测试设备：麦克 AutoPore V 9600

 

方法原理：压汞法

 

测试标准：GB／T21650．2-2008《压汞法和气体吸附法测定固体材料孔径分布和孔隙度第2部分：气体吸附法分析介孔和大孔》

 

经过三次测试，此电池薄膜的孔隙率是：

 

40.17%、40.19%、40.14%

 

1.5 电池隔膜透过性

 

透过性可用在一定时间和压力下通过隔膜气体的量的多少来，表征，主要反映了锂离子透过隔膜的通畅性。隔膜透过性的大小是隔膜孔隙率、孔径、孔的形状及孔曲折度等隔膜内部孔结构综合因素影响的结果。其中孔曲折度对透过性影响最大，孔曲折度升高将使透过性呈平方级下降。

 

式中：T-孔的曲折度，Ls-气体或液体实际通过的路程长，d-隔膜的厚度。

 

1）可以用压降仪来测定电池隔膜的透气率，压降随时间下降越快，表明隔膜的透气率越高，反之则愈低。一般而言，孔隙率越低，压降下降越慢，透气率越低。

 

2）隔膜厂家现在基本以透气度、孔隙度指标来衡量透气性。透气率是指特定的空气在特定的压力下通过特定面积隔膜所需要的时间，用Gurley值来表示。

 

根据隔膜厚度，一般在300-700s/100ml。