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鋰電池隔膜二十項性能指標

更新時間：2025-03-08      點擊次數：58

鋰電池隔膜二十項性能指標！

樸小烯 樸烯晶 2025年03月05日 11:57 
序言
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、國產化最晚的組件。它的主要功能是電子絕緣、離子導通，即隔離正負極防止短路，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。
鋰電池<a class=
圖片
4680 白色隔膜
隔膜是一種具有微孔結構的薄膜，是鋰離子電池產業鏈中技術壁壘的關鍵內層組件。在鋰電池中起到如下兩個主要作用：
1）隔開鋰電池的正負極，防止正負極接觸形成短路
2）薄膜中的微孔能夠讓鋰離子通過，形成充放電回路
隔膜結構理化特征指標
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。現在，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，本身具有微孔結構，容許吸納電解液；為了保證電池中一致的電極/電解液界面性質和均一的電流密度，微孔在整個隔膜材料中的分布應當均勻。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。孔隙率對膜的透過性和電解液的容納量非常重要。大多數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部孔結構綜合因素影響的結果。
5) 曲折度：是隔膜中有效毛細管的平均長度(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柱通道，鋰離子可輕易穿梭，此時電池的內阻小；隔膜孔隙呈曲折狀態，鋰離子任隔膜中穿梭路徑變長，降低了鋰離子在正、負極材料之間往返的速率，因此電池的內阻增大，同時還容易誘導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，影響電池的循環性能和充放電效率。隔膜的潤濕速度是指電解液進入隔膜微孔的快慢，它與隔膜的表面能、孔徑、孔隙率、曲折度等特性有關。
7）吸液率與保液率：由于電池隔膜材料兼具電解質的功能，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發生，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，所以吸液率是個很重要的隔膜參數。保液率差導致電池內阻增加，影響循環與充放電性能。
8）化學穩定性：主要是指隔膜電解液中的耐腐蝕性和尺寸穩定性。由于電解液中含有大量有機物質，因此要求隔膜在浸潤時不能和電解液發生化學反應，同時要求有較好的尺寸穩定性，不發生脹縮和變形。目前尚無隔膜化學穩定性的相關測試標準，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。
隔膜力學性能參數
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定性的參數，若拉伸強度不夠，隔膜變形后不易恢復原尺寸會導致電池短路。隔膜的抗張強度與膜的制作工藝有關。
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量，它用來表征隔膜裝配過程中發生短路的趨勢。電池的組裝和拆卸，以及實際使用中反復充放電等因素，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生短路概率的評估，由于鋰離子電池的隔膜與正、負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的指標參數。
隔膜熱性能
1）熱穩定性：熱穩定性是指隔膜在電池工作溫度范圍內保持其化學和物理特性 不變的 能力。隔膜的熱穩定性不足會導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：熱閉合效應是隔膜對鋰電池的一種特殊保護機制，即當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、負極之間的交換，使電池內阻增大，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，即一旦發生自閉合效應，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，因此當電池的溫度達到了隔膜基材的熔點時，聚合物熔融流動，從而導致原有的微孔結構閉合，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到熱閉合溫度后進一步上升，隔膜基材由于高溫熔融而處于黏流狀態，力學性能下降并自發破裂時的溫度。由于隔膜破裂等效于電路中發生了短路，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定性。
隔膜電化學性能
1）線性伏安掃描測試(LSV)：為了研究隔膜的電化學穩定性，通常對其進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電化學工作站對其測試。通常可以采用1.0mV／s的掃描速率，電壓則可以從開路設置到6.0V。
2）電化學阻抗譜測試(EIS)：電化學阻抗譜是研究電化學界面過程的重要方法，被廣泛應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阻抗譜圖中，可以得到電池的內阻(和隔膜的電阻有關)，因此可以用此方法得到電池的電荷轉移電阻。采用IVIUM電化學工作站測試，頻率為0.1Hz一100kHz。
3）循環性能(CP)：電池的循環性能主要由循環次數、放電容量和保留容量3個指標來衡量。電池連續重復進行多次的充放電行為稱為循環充放電，電池循環充放電的次數稱為循環次數；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的循環充放電后，電池依舊保持的放電容量。通常至少循環100次以后，得到的循環性能的數據才有說服力。因此，隔膜的性能優劣，直接影響到電池的循環性能。
4）離子電導率：離子電導率和離子電阻率互為倒數，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的電阻與相同體積的飽和電解液電阻的比值。因實際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)。