【浩博电池资讯】锂电池隔膜各项性能综述、详解各测试项目的原理、标准及方法-【浩博电池】 -

隔阂作为锂电池的要害组成部件之一，其质量好坏直接影响到锂电池的归纳运用功能及安全功能。本文论述锂离子电池隔阂基本的理化特性、力学功能、热功能和电化学功能，并详细介绍各测验项目的原理、规范和办法。

隔阂作为锂电池的重要组成部件，对隔绝电子经过避免短路和确保内部离子透过使电池高效、安稳、安全地运转具有重要含义。虽然隔阂自身未发生任何的电化学反响，但其结构和功能却影响电池的界面结构和内阻等，进而影响电池整体的容量、充放电电流密度、循环功能以及安全性等。因而经过对锂电池隔阂的各项功能参数的剖析测验和调控，可有用进步电池的归纳功能。

1. 隔阂的首要功能目标

其间，理化特性包含厚度、孔隙率、均匀孔径巨细与孔径散布、透气性、弯曲度、潮湿性、吸液率、化学安稳性8项参数；力学功能首要包含穿刺强度、混合穿刺强度和拉伸强度3项参数；热功能包含热闭合温度、熔融决裂温度和热缩短率3项目标；电化学功能包含线性伏扫描测验(LSV)、电化学阻抗谱测验(EIS)、循环功能(CP)、离子电导率和Mac-Mullin值5项参数。

2.1 厚度

现在隔阂中以16、18、20、25、30μm等厚度较为遍及，依据电池不同的用途，其隔阂厚度也有相应的差异。电子数码产品的电池隔阂厚度较小，16μm和18μm较为抱负，但以25μm较为常见；混合动力轿车和电动轿车上大功率、大电流电池的隔阂则需求较大的厚度，一般为40μm及以上。

因为电池隔阂大都以聚合物作为制作资料，质地柔软，在丈量厚度时应尽或许减小触摸压力对隔阂形变的影响。尤其是在实验室中运用小型手持式测厚仪进行丈量时，若触摸压力过大或许因变形而使丈量成果失真，因而可凭借非触摸式测厚仪进行丈量。非触摸式测厚仪可以做到快速、无损丈量，但测验是依据光学原理的点丈量，相关于触摸式的面丈量而言较简略遭到隔阂孔隙结构的影响，测验成果波动较大，不利于均匀厚度的丈量。

孔隙率是影响隔阂电化学功能的一个重要参数，理论上其余的参数如透气量、吸液率、电化学阻抗等都与此相关。孔隙率被界说为隔阂中微孔的体积与隔阂总体积的比值，现在隔阂生厂商所控制的孔隙率大都为25％-85％，隔阂中的微孔一般为通孔、盲孔和闭孔这3类。现在，隔阂孔隙率的测验办法首要有吸液法、核算法和仪器测验法。

吸液法因为简略易行，适合在实验室中丈量，但测验成果和隔阂在液体中的浸润性有联系，因而在测验时尽或许选取简略和隔阂相潮湿的溶剂，一般选用无水乙醇、十六烷、正丁醇等。以无水乙醇进行测验时要先称量干膜质量μ0，将隔阂彻底浸泡在无水乙醇中必定时刻，然后快速将隔阂取出，用滤纸轻轻擦隔阂外表的无水乙醇，再称取湿膜质量μ。依据式(1)核算，即可得到隔阂的孔隙率(ε)。式(1)中，ρ、ρ0别离为隔阂资料和无水乙醇的密度。

核算法

仪器测验法

因为压汞仪需求用到汞，存在必定的毒性，并且对测验样品采纳破坏性测验，因而逐步被环保无害、无损性测验的压水仪替代。现在，首要测验规范有GB／T 21650．2-2008《压汞法和气体吸附法测定固体资料孔径散布和孔隙度第2部分：气体吸附法剖析介孔和大孔》和ASTMD2873-94el《Standard Test Method forInterior Porosity of Poly(Vinyl Chloride) (PVC) Resins by Mercury Intrusion Porosimetry》。

为了使电池可以持续、安稳地运转，要求电池中的电流密度均一平稳，因而要求隔阂需求有适合的孔径巨细和孔径散布。若孔径过小，锂离子的透过性会遭到限制，然后使电池的内阻增大，降低了电池的整体功能；若孔径太大，在添加锂离子透过性的一起，也简略遭到锂离子枝晶成长刺穿隔阂的影响，从而导致短路乃至是爆破等安全问题。

①用液体将待测隔阂孔道彻底潮湿填满，因毛细现象使得孔内构成正压

③依据在单一孔道中的液体彻底由毛细孔道内挤出时所施压力与孔道直径的相对联系，依照Laplace方程可得隔阂孔径，Laplace方程如式(3)所示。

式(3)中，d为孔直径，⊿P为压力，γ为液体外表张力，θ为隔阂和液体的触摸角。不同压力时隔阂中的液体会被接连挤出并发生必定的气体穿透流量，可依据压力和流量改变的联系来核算孔径巨细及孔径散布。

2.4 透气性

现在隔阂职业中多选用日本工业规范，即在1.22kPa压力下测验100mL空气经过1平方英寸隔阂所需求的时刻。因而，Gurley值的巨细与气体的透过性成负相关。Gurley值的检测可以参照 ASTM D726-94(2003)《Startdard Test Method for Resistance of Nonporous Paper to Passage of Air)，ISO 5636-5：2013《Paper and Board Determ ination of Air Perm eance(Medium Range)Part5：Gurley Method》等规范，一般运用Gurley 4110N型透气量检测仪进行检测。此外，常用的检测规范还有 ISO 15105-1：2007《Plastics-Film and Sheeting-Determination of Gas-transmission Rate-Part 1：Diferential pressure Methods》，GB／T1038-2000《塑料薄膜和薄片气体透过性实验办法压差法》，ASTM D1434-82（2003)《Standard Test Method for Determining Gas Permeability Characteristics of Plastic Film and Sheeting》等。

2.5 弯曲度

图1是不同弯曲度隔阂示意图。从图1(a)可以看出当弯曲度τ=1时，隔阂孔隙呈抱负的平行网柱通道，锂离子可容易络绎，此时电池的内阻最低；从1(b)可以看出当τ>1时，隔阂孔隙呈弯曲状态，锂离子任隔阂中络绎途径变长，降低了锂离子在正、负极资料之间往复的速率，因而电池的内阻增大，一起还简略诱导锂离子枝晶的成长而刺破隔阂，引起安全隐患。

图1 不同弯曲度隔阂示意图

隔阂的潮湿性和潮湿速度关于锂离子电池的运转具有重要的含义。为高效传递锂离子，位于正、负极资料之间的隔阂须和电解液充分触摸，并且具有耐久的电解液坚持才能，反之则会使电池内阻增大，降低其运用功能。

潮湿速度则反响了隔阂在电解液中彻底潮湿所需求的时刻(或单位时刻内隔阂被潮湿的面积)，不仅和隔阂的材质(首要是外表张力巨细)有关，一起也受孔巨细、孔隙率和弯曲度等的影响。虽然没有特定的测验办法，但仍然可以选用较为简略的办法对其表征。可以将必定体积的电解液滴落在隔阂外表，然后调查电解液在隔阂中彻底扩散所需求的时刻；或许将隔阂垂直悬挂于电解液上方(一部分浸没在电解液中)，再调查电解液上升的高度。

2.7吸液率

考虑到电解液的毒性和挥发性，实践测验时可选用与隔阂潮湿性较好的有机溶剂进行测定，如无水乙醇、正丁醇、环己烷等、因为吸液率的测定成果波动较大，应重复测验屡次并取均匀值，此外操作过程中应该坚持各次测验变量的共同性以减少差错。

化学安稳性首要是指隔阂电解液中的耐腐蚀性和尺度安稳性。因为电解液中含有大量有机物质，因而要求隔阂在浸润时不能和电解液发生化学反响，一起要求有较好的尺度安稳性，不发生胀缩和变形。现在尚无隔阂化学安稳性的相关测验规范，但要求用于制作隔阂的资料可以确保电池长时刻正常运用。

3 力学功能

鉴于隔阂出产过程中的蜷曲环绕和包装，电池的拼装和拆开，以及实践运用中重复充放电等因素，要求隔阂必须具有必定的物理强度以克服上述过程中的物理冲击、穿刺、磨损和紧缩等效果带来的损坏，因而需求调查隔阂的穿刺强度。详细测验办法可以参照 ASTM D3763-10《Standard TestM ethod for High Speed Puncture Properties of Plastics Using Load and Displacement Sensors》和ASTM F1306-90《Standard Test Method for Slow Rate Penetration Resistance of Flexible Barrier Films and Laminates》等规范，测验成果和穿刺针的规格、穿刺的速度以及夹具的尺度巨细有联系。依据大量的实验和调查，USABC关于锂离子电池隔阂的穿刺强度规则了目标，即测验成果不可以小于300g/mil (1mil=25.4 μm)。

混合穿刺强度测验的是电极混合物刺穿隔阂形成短路时隔阂所遭到的力，办法可以参照 NASATM 2010-216099《Battery Separator Characterization and Evaluation Procedures for NASA’S Advanced Lithium-ion Bateries》或 GB/T 21302—2007《包装用复合膜、袋通则》。

3.3 拉伸强度

4 热功能

热闭合效应是隔阂对锂电池的一种特殊保护机制，即当电池的运用温度过高时，隔阂会主动将原来可以让锂离子自由透过的微孔闭合，阻止锂离子在正、负极之间的沟通，使电池内阻增大，然后避免了因温度过高和电流过大而形成的短路乃至是爆破的危险。

热闭合温度的丈量首要依托差示扫描量热法(DSC)和电阻骤变法，图3是3种隔阂的DSC测验图，图4是Celgard 2325(PP／PE／PP)隔阂电阻随温度的改变曲线。

图3 Celgard 2730(PE)、Celgard 2400(PP)、Celgard 2325(PP／PE／PP)隔阂的DSC测验图

图4 Celgard 2325隔阂电阻随温度改变曲线

4.2 熔融决裂温度

表1 C elgard 不同隔阂TMA数据

例如，单层PP膜的熔融裂温度比单层PE膜高约30℃，三层PP／PE／PP复合膜的闭孔度和单层PE膜接近而熔融决裂温度却与单层PP膜相近，标明三层复合隔阂在较低的温度下闭孔后仍有30℃左右的温度范围坚持较高的电阻，然后确保电池的安全。

因为在高温下隔阂易发生缩短形变，因而可以经过热缩短率来表征隔阂高温下的尺度安稳性。例如，单层的PE隔阂放置在120℃下仅10min就有近10%的热缩短，关于锂离子电池隔阂而言，其热缩短率在90℃下放置60min时应小于5％。