锂电池隔膜的基本参数及物理意义

隔膜对电池性能的影响

锂离子电池用隔膜，基本参数

1、厚度

（1）定义

指隔膜的厚度，隔膜厚度的均匀性是一个特殊主要的质量指标，它直接影响膜片线圈的外部质量和内部性能，生产过程中必须严格把控。
在自动化程度很高的隔膜生产线上，隔膜厚度都是采取精度很高的在线非打仗式测厚仪及快速反馈掌握系统，实现膜片厚度的自动丈量和掌握。
隔膜的厚度均匀性包括纵向厚度均匀性和横向厚度均匀性，个中横向厚度均匀性尤为主要，一样平常均哀求掌握在1um以内。

（2）标准及影响

厚度与内阻有关，越薄内阻越小，从而实现大功率充放电。
在一定的机器强度下尽可能小，越厚穿刺强度越好。
对付花费型锂离子电池（手机、条记本电脑、数码相机中利用的电池），25微米的隔膜逐渐成为标准。
但是便携式产品的需求日益增长的形式下，更薄的隔膜，比如说20微米、18微米、16微米、乃至更薄的隔膜开始大范围的运用。

对付动力电池来说，隔膜越薄，溶剂化锂离子穿越时碰着的阻力越小，离子传导性越好，阻抗越低，但隔膜太薄时， 其保液能力和电子绝缘性降落，也会对电池性能带来不利的影响。
隔膜厚度越厚，能卷绕的层数就越少，相应容量也就会降落；较厚的产品，穿刺强度会稍高，安全性会高一些；同样孔隙率的情形下，越厚的产品，其透气率会稍差，使得电池的内阻会高一点。
而对装置过程的机器哀求，每每须要更厚的隔膜，当然对付动力用大电池，安全性也是非常主要的，而厚一些的隔膜每每同时意味着更好的安全性。

常用单位：m

范例值：16、18、20、25、30

影响电池性能：安全性、容量、内阻

2、透气率

隔膜在电池中是惰性的，即隔膜不是电池的必要组成部分，而仅仅是电池工业化生产的哀求。
以是隔膜须要知足一个很主要的性能：不能恶化电池的电化学性能，紧张表现在内阻上。
用两个参数评价这一性能：

MacMullin数：含电解液的隔膜的电阻率和电解液本身的电阻率之间的比值。
此数值越小越好，花费型锂离子电池的这个数值为8旁边。

Gurley数：反响隔膜的透过能力，指一定体积的气体，在一定压力条件下通过一定面积的隔膜所须要的韶光。
气体的体积量一样平常为50cc，有些公司也会标100cc，末了的结果会差两倍。
与隔膜装置的电池的内阻成正比，即该数值越大内阻越大。
不过纯挚比较两种不同隔膜的Gurley数是没故意义的，由于它们的微不雅观构造可能完备不一样，但是同一种隔膜的Gurley数的大小可以很好的反应内阻的大小。

电池隔膜透气性是厚度、孔弯曲度、孔径、孔隙率等构造成分共同影响的结果。
透气率和用此隔膜装置的电池的内阻成正比，即该数值越大，则内阻越大。
锂离子电池中的内阻和离子传导有关，而透气率和气体传导有关，两种机理是不一样的。
同一种隔膜的Gurley数的大小能很好的反应出内阻的大小，由于同一种隔膜相对来说微不雅观构造是一样的或可比较的。
而不同的隔膜不能这样比拟，其微不雅观构造可能不同。

常用单位：s/100ml

范例值：200~800s/100ml

影响电池性能：内阻

3、浸润度

反响隔膜材料、微不雅观构造与电池液的浸润性能。
为了担保电池的内阻不是太大，哀求隔膜是能够被电池所用电解液完备浸润。
浸润度一方面跟隔膜材料本身干系，另一方面个隔膜的表面及内部微不雅观构造密切干系。
较好的浸润性有利于提高隔膜与电解液的亲和性，扩大隔膜与电解液的打仗面，从而增加离子导电性，提高电池的充放电性能和容量。

浸润性可通过测定其吸液率和持液率来衡量：取范例电解液（如EC：DMC=1:1，1M LiPF6），滴在隔膜表面，看是否液滴会迅速消逝被隔膜接管，如果是则解释浸润性基本知足哀求。
更准确的测试可以用超高韶光分辨的摄像机记录从液滴打仗隔膜到液滴消逝的过程，打算韶光，通过韶光的是非来比较两种隔膜的浸润度。
浸润度一方面个隔膜材料本身干系，另一方面个隔膜的表面及内部微不雅观构造密切干系。

常用单位：g/m2

影响电池性能：内阻、容量

4、化学稳定性

隔膜的利用环境是一个化学环境，电解质的溶剂为强极性的有机化合物，因此哀求隔膜耐电解液堕落，有足够的化学和电化学稳定性，不与电解液发生化学反应，也不能影响电解液的化学性子。
经由多少年的工业化考验，目前市场上供应的隔膜用材料 PE 或PP 是知足化学惰性哀求的。

丈量：隔膜的化学稳定性是通过丈量耐电解液堕落能力和膨胀率来评价的。
耐电解液堕落能力：将电解液加温到50℃后，将隔膜浸渍4-6h，取出洗净，烘干，与原干样进行比较。
膨胀率：将隔膜浸渍在电解液中4-6h后，检测尺寸变革，求其差值百分率。

5、孔径

隔膜的孔径在纳米级，双拉办法产生的隔膜的孔靠近圆形，干法隔膜的孔位长条形。
一样平常湿法隔膜的孔径在 0.01~0.1m，干法隔膜的孔径在0.1~0.3m，孔径的大小与隔膜的透气率有关。
为了阻挡电极颗粒的直接打仗，须要防止电极颗粒直接通过隔膜，此外，担保低的电阻和高的离子电导率。
锂电池隔膜材料本身具有微孔构造，微孔在全体隔膜材料中的分布应该均匀。
目前所利用的电极颗粒一样平常在10微米的量级，孔径一样平常在0.03-0.12um，而所利用的导电添加剂则在10纳米的量级，不过一样平常碳黑颗粒方向于团圆形成大颗粒。
亚微米孔径的隔膜足以阻挡电极颗粒的直接通过，当然也不用除有些电极表面处理不好，粉尘较多导致的一些诸如微短路等情形。

过大的孔径有可能导致隔膜穿孔形成电池微短路，致使自放电率增大；孔径太小会增加电阻；孔径分布不均，则电池内部电流密度不一致，长期下去会形成局部枝晶，刺穿隔膜；一样平常选用亚微米孔径的隔膜。

影响电池性能：内阻、短路率，电导率；

6、隔膜抗穿刺的能力

在电池制造过程中由于电极表面涂覆不足平整，电极边缘有毛刺等情形，以及装置过程中工艺水平有限等成分，因此哀求隔膜有相称的穿刺强度。
正常情形下正负极的凹凸平面易造成隔膜的刺穿风险，其余当缺点利用充电器或充电器故障，锂离子电池发生过冲征象的时候，正极过多的锂离子脱嵌运动到负极，但负极嵌入不及时，锂离子便以金属锂的形式在负极表面沉积，形成树枝状结晶——锂枝晶，极易刺穿隔膜，发生短路。

穿刺强度测试标准：耐穿刺性能，常日用施加在针形物刺穿试样的最大力值作为隔膜耐穿刺性的评估指标。
在一定的速率（每分钟3-5米）下，让一个没有锐边缘的直径为1mm的针刺向环状固定的隔膜，为穿透隔膜所施加在针上的最大力就称为穿刺强度。
同样的，由于测试的时候所用的方法和实际电池中的情形有很大的差别，直接比较两种隔膜的穿刺强度不是特殊合理，但在微构造一定的情形下，相对来说穿刺强度高的，其装置不良率低。
足够的穿刺强度可以防止锂枝晶、极片毛刺刺穿隔膜造成短路，抗穿刺强度值一样平常在300-500g。
隔膜的耐穿刺力可作为反响隔膜装置中发生短路的趋势指标，是锂离子电池隔膜安全性的主要指标之一。

常用单位：g/厚度

范例值：>300g/20m（湿法）

影响电池性能：短路率、安全性

7、热稳定性

锂离子电池在制造和利用过程中，会时常处于热心况中；这哀求隔膜在电池利用的温度范围内（-20~60℃）保持热稳定。
锂离子电池隔膜多采取聚烯烃——一种热塑性材料，受热时尺寸会发生一定紧缩。
根据制造工艺的不同，单向拉伸膜由于机器方向（MD）为分子链被拉伸的方向，因此隔膜在该方向易发生紧缩，此情形下的横向（TD）紧缩一样平常较小。
双向拉伸膜因机器方向和横向均被拉伸，都会发生细微的紧缩征象。

在电池生产过程中由于电解液对水份非常敏感，大多数厂家会在注液提高行80℃旁边的烘烤，哀求在这个温度下隔膜的尺寸也该当稳定，倘若隔膜的热缩率非常大，会造成电池在烘烤时，隔膜紧缩过大，那么隔膜对付隔离正负极的浸染将被极大削弱，乃至发生短路。
为了降落电池受热时的短路风险，应选择具有得当热缩率的隔膜材料，否则极片外露造成短路。
哀求受热紧缩率小，否则会引起短路，引发电池热失落控。
除此之外，动力电池常日采取复合膜，对隔膜的哀求更高。
这对PP/PE隔膜也不会存在太大的问题。
膜片的质量直接影响到锂电池的容量、充放电循环的寿命以及阻燃防爆的安全性能。

丈量：用热机器剖析法（TMA），是丈量温度直线上升时隔膜在荷重时的变形，常日隔膜先表现出皱缩，然后开始伸长，终极断裂。
TMA法，能够对隔膜材料熔体完全性供应可重复的丈量。

常用单位：%（90℃2h）或（120℃1h）

范例值：90℃2h 湿法 MD 纵向<5.0%,TD 横向<3.0% 干法 MD<3.0%,TD<1.0%

120℃1h 湿法 MD/TD<20% 干法 MD/TD<10%

影响电池性能：短路率、安全性

8：拉伸强度

抗拉强度，是指隔膜在纯拉伸力的浸染下，断裂前所能承受的最大力值与测试隔膜截面积的比值，抗拉强度越大，隔膜在外力浸染下发生的破损与断裂的几率就会降落。
纵向强度要达到100mP以上，横向强度不能太大，过大会导致横向紧缩率增大。
足够的拉伸强度可以防止隔膜变形，拉伸强度与制膜的工艺有关。
采取单轴拉伸，隔膜在拉伸方向上与垂直方向强度不同；而采取双轴拉伸时，隔膜在两个方向上同等性会附近。
一样平常拉伸强度紧张是指纵向强度要达到100MP以上，横向强度不能太大，过大会导致横向紧缩率增大，这种紧缩会加大锂电池厂家正、负极打仗的几率。

拉力机

常用单位：MPa

范例值：湿法，MD/TD>90MPa

干法，TD>150MPa，MD>5MPa

影响电池性能：制造过程、安全性

8、热关闭温度

由于安全性问题比较严重，目前锂离子电池用隔膜一样平常都能够供应一个附加的功能，便是热关闭。
反响隔膜耐热性能和热安全性能的主要参数闭孔温度是指达到这一温度后，隔膜闭孔，电池内部形成断路，防止电池内部温度由于内部电流过大进一步上升，造成安全隐患。
这一特性可以为锂离子电池供应一个额外的安全保护。
闭孔温度与材料本身的熔点密切干系。
实际上关闭温度和材料本身的熔点密切干系，如PE 为128~135℃，PP 在150~166℃。
当然不同的微构造对热关闭温度有一定的影响。
但对付小电池，热关闭机制所起的浸染很有限。

热关闭温度：将事理电池（两平面电极中间夹一隔膜，利用通用锂离子电池用电解液）加热，当内阻提高三个数量级时的温度。

电池内部发生放热反应自热、过充或者电池外部短路时，将会产生大量的热量，造成微孔闭合，多孔的离子传导聚合物膜微孔关闭，变成了无孔的绝缘层，从而阻断离子的连续传输而形成断路，起到保护电池的浸染，微孔闭合时的温度便是闭孔温度。
但对付小电池，热关闭机制所起的浸染很有限。
一样平常PE为130-140℃，PP为150℃。
闭孔温度低一些比较好。

破膜温度：指电池内部自热，外部短路使电池内部温度升高，超过闭合温度后微孔闭塞阻断电流利过，热熔性能温度进一步上升，隔膜完备融化紧缩、电极内部短路产生高温直至电池解体或爆炸。
分裂时的温度即为破膜温度，是造成电池毁坏的极限温度，破膜温度高一些比较好。

范例值：PE 膜 闭孔128~135℃ 破膜>145℃

PP 膜 闭孔150~166℃，

三层复合膜 双闭孔温度，破膜温度高

影响电池性能：耐热安全性

9、孔隙率

孔隙率是单体膜的体积中孔的体积百分率，它与质料树脂及膜的密度有关，反响隔膜内部微孔数量，目前，锂离子电池用隔膜的孔隙率为40%-50%旁边。
孔隙率的大小和内阻有一定的关系，但不同种隔膜之间的空隙率的绝对值无法直接比较。
高性能的锂离子电池隔膜依赖于隔膜中添补的液体电解质的离子传导性。
对付相同的电解质，高的孔隙率降落了电池的阻抗，但也降落了膜的机器强度。

隔膜的孔隙构造

范例值：40~60%

影响电池性能：内阻

11、静电

隔膜表面带有较强静电时，会引起诸多问题。
首先，在生产制造过程中，会吸尘等污染物，在隔膜上形成瑕疵，如斑点、针孔等；还会造成叠片时与极片吸在一起，不随意马虎与极片对齐，使生产效率降落。
末了，隔膜静电会将污染物吸入阳极/隔膜/阴极构造中，极有可能造成内短路，引发安全问题。

12、波折度

锂离子电池用隔膜是一种仅有十几至几十微米厚的高分子膜材料，分切后随意马虎产生的弧形，尤其是剪切成较窄的隔膜时，这种波折变形会更加难以掌握，会造成叠片不齐，卷绕时产生涡状，随意马虎引起正负极片搭接和极组卷绕对齐度难以调度，致使正负极板搭接，造成极片外露而短路。

13、面密度

指隔膜单位面积的重量。
由于隔膜含有大量微孔，随着微孔数量减少，隔膜面密度的增大，孔隙率、透气率会降落。
不同厚度、不同工艺的隔膜，其面密度无可比性。

丈量：将隔膜跌成6叠，扯平，压紧，打消隔膜中的空气。
将叠好的隔膜根据裁样板进行裁样，每隔一叠丈量裁好的样品的长度和宽度，得到3个样品的面积S1，S2，S3。
分别称量这3个样品的重量M1，M2，M3。
根据公式面密度=M/S，得到三个面密度，取其均匀值即为隔膜的面密度。

常用单位：g/m2

范例值：8~12 g/m2

影响电池性能：内阻

14、同等性

隔膜的量产过程中由于对生产过程掌握不严格，导致不同批次间的质量存在较大差异，产品的质量稳定性不好。
由于制备工艺的不同，膜的稠度可能会有很大的不同，隔膜同等性可能差别较大。
隔膜的材料同等性是隔膜的一项主要指标，决定着隔膜的质量稳定性。
隔膜的材料同等性不仅表示了生产隔膜的原材料的同等性，在某种程度上还反响了隔膜的生产工艺过程是否稳定。
同等性包括闭合温度等自身特性，以及电镜下不雅观察孔洞的同等性和厚度的同等性等表不雅观同等性。
隔膜越同等，其他性能越好。