鋰離子電池隔膜的性能要求

鋰離子電池由正、負(fù)極材料、電解液、隔膜以及電池外殼組成。隔膜作為電池的“第三極”，是鋰離子電池中的關(guān)鍵內(nèi)層組件之一。隔膜吸收電解液后，可隔離正、負(fù)極，以防止短路，同時(shí)允許鋰離子的傳導(dǎo)。在過(guò)度充電或者溫度升高時(shí)，隔膜通過(guò)閉孔來(lái)阻隔電流傳導(dǎo)，防止爆炸。隔膜性能的優(yōu)勢(shì)決定電池的界面結(jié)構(gòu)和內(nèi)阻，進(jìn)而影響電池的容量、循環(huán)性能，充放電電流密度等關(guān)鍵特性。性能優(yōu)異的隔膜對(duì)提高電池的綜合性能起著有重要的作用。

鋰離子電池隔膜生產(chǎn)材料目前還是以聚烯烴為首選，聚烯烴材料具有強(qiáng)度高、防火、耐化學(xué)試劑、耐酸堿腐蝕性好、生物相容性好、無(wú)毒等優(yōu)點(diǎn)，在眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。聚烯烴化合物可以提供良好的機(jī)械性能和化學(xué)穩(wěn)定性，具有高溫自閉性能，確保鋰離子二次電池在日常使用上的安全性。

1、厚度均勻性

隔膜的厚度均勻性與所有薄膜生產(chǎn)企業(yè)要求是一樣的，是一個(gè)永遠(yuǎn)追求的重要的質(zhì)量指標(biāo)，它直接影響隔膜卷的外觀質(zhì)量以致內(nèi)在性能，是生產(chǎn)過(guò)程嚴(yán)加控制的質(zhì)量指標(biāo)之一。鋰電池用戶對(duì)隔膜的分切有其特殊的要求，除了有特殊的隔膜分切機(jī)、專業(yè)培訓(xùn)的專業(yè)分切人員外，與隔膜自身的厚度均勻性關(guān)系最為密切。

在自動(dòng)化程度很高的隔膜生產(chǎn)線上，隔膜厚度都是采用精度很高的在線非接觸式測(cè)厚儀及快速反饋控制系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)和控制的。隔膜的厚度均勻性包括縱向厚度均勻性和橫向厚度均勻性。其中橫向厚度均勻性尤為重要。一般均要求控制在+1微米以內(nèi)。“南通天豐”公司厚度現(xiàn)已控制在+0.5微米以內(nèi)。

2、力學(xué)性能

隔膜的力學(xué)性能是影響其應(yīng)用的一個(gè)重要因素，如果隔膜破裂，就會(huì)發(fā)生短路，降低成品率，因此要求隔膜在電池組裝和充放電結(jié)構(gòu)使用過(guò)程中，需要自身具有一定的機(jī)械強(qiáng)度。

隔膜的機(jī)械強(qiáng)度可用抗穿刺強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度來(lái)衡量。

拉伸強(qiáng)理，隔膜的拉伸強(qiáng)度與制膜的工藝相關(guān)聯(lián)。采用單軸拉伸，膜在拉伸方向上與垂直方向強(qiáng)度不同；而采用雙軸拉伸時(shí)，隔膜在兩個(gè)方向上一致性會(huì)相近。一般拉伸強(qiáng)度主要是指縱向強(qiáng)度要達(dá)到100MP以上，橫向強(qiáng)度不能太大，過(guò)大會(huì)導(dǎo)致橫向收縮率增大，這種收縮會(huì)加大鋰電池廠家正、負(fù)極接觸的幾率。

抗穿刺強(qiáng)度，抗穿刺強(qiáng)度是指施加在給定針形物上用來(lái)戳穿隔膜樣本的質(zhì)量，用它來(lái)表示隔膜在裝配過(guò)程中發(fā)生短路的趨勢(shì)。因隔膜是被夾在凹凸不平的正、負(fù)極片間，需要承受很大的壓力。為了防止短路，所以隔膜必須具備一定的抗穿刺強(qiáng)度。抗穿刺強(qiáng)度值一般在300-500g。

3、透過(guò)性能

透過(guò)性能可用在一定時(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。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。

作為鋰電池隔膜材料，本身具有微孔結(jié)構(gòu)，微孔在整個(gè)隔膜材料中的分布應(yīng)當(dāng)均勻。

孔徑一般在0.03-0.12um?？讖教≡黾与娮?，孔徑太大易使正負(fù)極接觸或被枝晶刺穿短路。

隔膜廠家現(xiàn)在基本以透氣度、孔隙度指標(biāo)來(lái)衡量透氣性。透氣率是指特定的空氣在特定的壓力下通過(guò)特定面積隔膜所需要的時(shí)間，用Gurley 值來(lái)表示。根據(jù)隔膜厚度，一般在300-700s/100ml?？紫堵适菃误w膜的體積中孔的體積百分率，它與原料樹脂及膜的密度有關(guān)?，F(xiàn)有鋰離子電池隔膜的孔隙率在40%-50%之間。

4、理化性能

潤(rùn)濕性和潤(rùn)濕速度：較好的潤(rùn)濕性有利于提高隔膜與電解液的親和性，擴(kuò)大隔膜與電解液的接觸面，從而增加離子導(dǎo)電性，提高電池的充放電性能和容量。隔膜對(duì)電解液的潤(rùn)濕性可通過(guò)測(cè)定其吸液率和持液率來(lái)衡量。

魔學(xué)穩(wěn)定性：隔膜在電解液中應(yīng)當(dāng)保持長(zhǎng)久的穩(wěn)定性，不與電解液和電極物質(zhì)反應(yīng)。

其化學(xué)穩(wěn)定性是通過(guò)測(cè)定耐電解液腐蝕能力和脹縮率來(lái)評(píng)價(jià)的。

熱穩(wěn)定性：電池在充放電過(guò)程中會(huì)釋放熱量，尤其在短路或過(guò)充電的時(shí)候，會(huì)有大量熱量放出。因此，當(dāng)溫度升高的時(shí)候，隔膜應(yīng)當(dāng)保持原有的完整性和一定的力學(xué)性能，發(fā)揮隔離正、負(fù)極、防止短路的作用。

安全保護(hù)性能：隨著鋰電池應(yīng)用范圍的逐漸擴(kuò)大，尤其是動(dòng)力電池領(lǐng)域，鋰離子電池的安全性成為鋰電池廠家的最為重視的環(huán)節(jié)。作為鋰電池最為關(guān)鍵的核心材料，對(duì)隔膜也提出了更高的要求。

目前鋰電池用隔膜一般都能夠提供一個(gè)附加的功能，就是熱關(guān)閉。這一特性可以為鋰離子電池提供一個(gè)額外的安全保護(hù)。該功能主要參數(shù)為閉孔溫度和破膜溫度。

閉孔溫度是微孔閉合時(shí)的溫度，即為閉合溫度。指電池內(nèi)部發(fā)生放熱反應(yīng)自熱、過(guò)充或者電池外部短路時(shí)，這些情況都會(huì)產(chǎn)生大量的熱量。由于聚烯烴材料的熱塑性，當(dāng)溫度接近聚合物熔點(diǎn)時(shí)，微孔閉合形成熱關(guān)閉，從而阻斷離子的繼續(xù)傳輸而形成斷路，起到保護(hù)電池的作用。一般PE為130-140℃，Pp為150℃。

破膜溫度是指電池內(nèi)部自熱，外部短路使電池內(nèi)部溫度升高，超過(guò)閉合溫度后微孔閉塞阻斷電流通過(guò)，熱熔性能溫度進(jìn)一步上升，造成隔膜破裂、電池短路。破裂時(shí)的溫度即為破膜溫度。

因此，鋰電池廠家都希望隔膜有較低的閉孔溫度和較高的破裂溫度。

閉孔溫度和破膜溫度均與隔膜材料的種類有很大關(guān)系。任何單層的隔膜將難以滿足鋰離子電池對(duì)隔膜的安全性的要求。為了滿足鋰電池廠家的這種要求，南通天豐開發(fā)出了PE、PP多層隔膜。融合了PE的低溫閉合和PP的高溫破膜溫度兩種特性。

在鋰電池的結(jié)構(gòu)中，隔膜是關(guān)鍵的內(nèi)層組件之一。隔膜的性能決定了電池的界面結(jié)構(gòu)、內(nèi)阻等，直接影響電池的容量、循環(huán)以及安全性能等特性，性能優(yōu)異的隔膜對(duì)提高電池的綜合性能具有重要的作用。隔膜的主要作用是使電池的正、負(fù)極分隔開來(lái)，防止兩極接觸而短路，此外還具有能使電解質(zhì)離子通過(guò)的功能。隔膜材質(zhì)是不導(dǎo)電的，其物理化學(xué)性質(zhì)對(duì)電池的性能有很大的影響。電池的種類不同，采用的隔膜也不同。對(duì)于鋰電池系列，由于電解液為有機(jī)溶劑體系，因而需要有耐有機(jī)溶劑的隔膜材料，一般采用高強(qiáng)度薄膜化的聚烯烴多孔膜。

鋰電池隔膜的要求：

（1）具有電子絕緣性，保證正負(fù)極的機(jī)械隔離；

（2）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(duì)鋰離子有很好的透過(guò)性；

（3）由于電解質(zhì)的溶劑為強(qiáng)極性的有機(jī)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；

（4）對(duì)電解液的浸潤(rùn)性好并具有足夠的吸液保濕能力；

（5）具有足夠的力學(xué)性能，包括穿刺強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度等，但厚度盡可能??；

（6）空間穩(wěn)定性和平整性好；

（7）熱穩(wěn)定性和自動(dòng)關(guān)斷保護(hù)性能好。動(dòng)力電池對(duì)隔膜的要求更高，通常采用復(fù)合膜。