详解锂离子电池隔膜的性能要求及分类
来源：宝鄂实业
2019-05-08 10:37
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1、具有电子绝缘性，保证正负极的机械隔离；
2、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；
3、耐电解液腐蚀，有足够的化学和电化学稳定性，这是由于电解质的溶剂为强极性的有机化合物；
4、具有良好的电解液的浸润性，并且吸液保湿能力强；
5、力学稳定性高，包括穿刺强度、拉伸强度等，但厚度尽可能小；
6、空间稳定性和平整性好；
7、热稳定性和自动关断保护性能好；
8、受热收缩率小，否则会引起短路，引发电池热失控。除此之外，动力电池通常采用复合膜，对隔膜的要求更高。
锂离子电池的减少内部短路技术和热关闭性能
在锂电池中，隔膜吸收电解液后，可隔离正、负极，以防止短路，但同时还要允许锂离子的传导。而在过度充电或者温度升高时，隔膜还要有高温自闭性能，以阻隔电流传导防止爆炸。不仅如此，锂电池隔膜还要有强度高、防火、耐化学试剂、耐酸碱腐蚀性、生物相容性好、无毒等特点。
减少内部短路技术
膈膜是避免锂电池内部热失控的关键部件，尽管具有热关闭性能的隔膜上世纪90年代就已经商品化了，但它对于加工缺陷造成的硬性内部短路确实无效的。为了减轻内部短路，在过去几年中人们提出了两种技术路线。一是制备具有高熔点，低的高温收缩性和优异的机械性能（特别是抗穿刺强度）的隔膜。二是制备高纯氧化铝（VK-L30G）陶瓷改善的隔膜。后者要么在表面具有陶瓷层，要么将高纯氧化铝（VK-L30G）粉末分散于高分子材料中，从中高纯氧化铝（VK-L30G）陶瓷起的主要作用是防止电极间的空间塌陷，从而避免热失控情况下的内部短路。
隔膜热关闭性能
目前使用的锂电池隔膜一般都能提供一个附加功能，就是热关闭。这一特性也为锂电池的安全性能提供了额外的帮助。这是因为隔膜所用聚烯烃材料具有热塑性，当温度接近材料熔点时，微孔闭合形成热关闭，从而阻断离子的继续传输而形成短路，起到保护电池的作用。
锂离子电池隔膜的主要性能参数
孔径大小及分布
1、孔径的大小及分布与制备方法有关；2、孔径大小影响隔膜的透过能力；3、分布不均匀导致电池内部电流密度不一致，形成枝状晶刺穿隔膜。
透气率
1、Gurley指数，是一个重要物化指标；2、与电池内阻成正比；3、数值越大，内阻越大。
自动关闭机理
1、这是一种安全保护性能；2、限制温度升高和防止短路；3、安全窗口温度越高愈好，电池的安全性越高；4、与隔膜的原材料和隔膜的结构有关；5、材料熔点决定隔膜的闭孔温度。
孔隙率
孔的体积和隔膜体积的比值，一般隔膜孔隙率在35%-60%之间。
热稳定性
隔膜受热时尺寸稳定性。
力学强度
要求抗穿刺强度高；单向拉伸，拉伸~50N，横向~5N；双向拉伸，要求2个方向要求一致。
锂离子电池隔膜制造工艺
高性能锂电池需要隔膜具有厚度均匀性以及优良的力学性能（包括拉伸强度和抗穿刺强度）、透气性能、理化性能（包括润湿性、化学稳定性、热稳定性、安全性）。据了解，隔膜的优异与否直接影响锂电池的容量、循环能力以及安全性能等特性，性能优异的隔膜对提高电池的综合性能具有重要的作用。
锂电池隔膜具有的诸多特性以及其性能指标的难以兼顾决定了其生产工艺技术壁垒高、研发难度大。隔膜生产工艺包括原材料配方和快速配方调整、微孔制备技术、成套设备自主设计等诸多工艺。其中，微孔制备技术是锂电池隔膜制备工艺的核心，根据微孔成孔机理的区别可以将隔膜工艺分为干法与湿法两种。
干法隔膜工艺
干法隔膜工艺是隔膜制备过程中最常采用的方法，该工艺是将高分子聚合物、添加剂等原料混合形成均匀熔体，挤出时在拉伸应力下形成片晶结构，热处理片晶结构获得硬弹性的聚合物薄膜，之后在一定的温度下拉伸形成狭缝状微孔，热定型后制得微孔膜。目前干法工艺主要包括干法单向拉伸和双向拉伸两种工艺。
干法单拉
干法单拉是使用流动性好、分子量低的聚乙烯（PE）或聚丙烯（PP）聚合物，利用硬弹性纤维的制造原理，先制备出高取向度、低结晶的聚烯烃铸片，低温拉伸形成银纹等微缺陷后，采用高温退火使缺陷拉开，进而获得孔径均一、单轴取向的微孔薄膜。
干法单拉工艺流程为：
1、投料：将PE或PP及添加剂等原料按照配方预处理后，输送至挤出系统。
2、流延：将预处理的原料在挤出系统中，经熔融塑化后从模头挤出熔体，熔体经流延后形成特定结晶结构的基膜。
3、热处理：将基膜经热处理后得到硬弹性薄膜。
4、拉伸：将硬弹性薄膜进行冷拉伸和热拉伸后形成纳米微孔膜。
5、分切：将纳米微孔膜根据客户的规格要求裁切为成品膜。
干法双拉
据了解，干法双拉工艺是中科院化学研究所开发的具有自主知识产权的工艺，也是中国特有的隔膜制造工艺。由于PP的β晶型为六方晶系，单晶成核、晶片排列疏松，拥有沿径向生长成发散式束状的片晶结构的同时不具有完整的球晶结构，在热和应力作用下会转变为更加致密和稳定的α晶，在吸收大量冲击能后将会在材料内部产生孔洞。该工艺通过在PP中加入具有成核作用的β晶型改性剂，利用PP不同相态间密度的差异，在拉伸过程中发生晶型转变形成微孔。
干法双拉工艺流程为：
1、投料：将PP及成孔剂等原料按照配方预处理后输送至挤出系统。
2、流延：得到β晶含量高、β晶形态均一性好的PP流延铸片。
3、纵向拉伸：在一定温度下对铸片进行纵向拉伸，利用β晶受拉伸应力易成孔的特性来致孔。
4、横向拉伸：在较高的温度下对样品进行横向拉伸以扩孔，同时提高孔隙尺寸分布的均匀性。
5、定型收卷：通过在高温下对隔膜进行热处理，降低其热收缩率，提高尺寸稳
