锂离子电池隔膜的主要性能参数是什么？
来源：宝鄂实业
2019-08-14 10:37
点击量：次
1、厚度
对于消耗型锂离子电池(手机、笔记本电脑、数码相机中使用的电池)，25微米的隔膜逐渐成为标准。然而，由于人们对便携式产品的使用的日益增长，更薄的隔膜，比如说20微米、18微米、16微米、甚至更薄的隔膜开始大范围的应用。对于动力电池来说，由于装配过程的机械要求，往往需要更厚的隔膜，当然对于动力用大电池，安全性也是非常重要的，而厚一些的隔膜往往同时意味着更好的安全性。
2、透气率
从学术角度来说，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要求。隔膜的存在首先要满足它不能恶化电池的电化学性能，主要表现在内阻上。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称为MacMullin数。一般来说，消耗型锂离子电池的这个数值为接近8，当然这个数值越小越好。通常来说，锂离子电池隔膜中会有一个透气率的参数，或者叫Gurley数。这个数是这么定义的，即一定体积的气体，在一定压力条件下通过一定面积的隔膜所需要的时间，气体的体积量一般为50cc，有些公司也会标100cc，最后的结果会差两倍。
面积应该是1平方英寸，压力差记不太清楚了。这个数值从一定意义上来讲，和用此隔膜装配的电池的内阻成正比，即该数值越大，则内阻越大。然而，对于不同的隔膜，该数字的直接比较没有任何意义。因为锂离子电池中的内阻和离子传导有关，而透气率和气体传到有关，两种机理是不一样的。换句话说，单纯比较两种不同隔膜的Gurley数是没有意义的，因为可能两种隔膜的微观结构完全不一样;但同一种隔膜的Gurley数的大小能很好的反应出内阻的大小，因为同一种隔膜相对来说微观结构是一样的或可比较的。
3、浸润度
为了保证电池的内阻不是太大，要求隔膜是能够被电池所用电解液完全浸润。这方面没有一个公认的检测标准。大致可以通过以下试验来判断：取典型电解液(如EC：DMC=1:1，1MLiPF6)，滴在隔膜表面，看是否液滴会迅速消失被隔膜吸收，如果是则说明浸润性基本满足要求。更准确的测试可以用超高时间分辨的摄像机记录从液滴接触隔膜到液滴消失的过程，计算时间，通过时间的长短来比较两种隔膜的浸润度。浸润度一方面个隔膜材料本身相关，另一方面个隔膜的表面及内部微观结构密切相关。
4、化学稳定性
换句话说就是要求隔膜在电化学反应中是惰性的。经过若干年的工业化检验，一般认为目前隔膜用材料PE或PP是满足化学惰性要求的。
5、孔径
一般来说，隔膜为了阻止电极颗粒的直接接触，很重要的一点就是防止电极颗粒直接通过隔膜。目前所使用的电极颗粒一般在10微米的量级，而所使用的导电添加剂则在10纳米的量级，不过很幸运的是一般碳黑颗粒倾向于团聚形成大颗粒。一般来说，亚微米孔径的隔膜足以阻止电极颗粒的直接通过，当然也不排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况。
6、穿刺强度
这个参数实际上是由于电极表面不够平整，以及装配过程中工艺水平有限而提出的一个要求，因此要求隔膜有相当的穿刺强度。穿刺强度的测试有工业标准可遵循，大致是在一定的速度(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况有很大的差别，直接比较两种隔膜的穿刺强度不是特别合理，但在微结构一定的情况下，相对来说穿刺强度高的，其装配不良率低。但单纯追求高穿刺强度，必然导致隔膜的其他性能下降。
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，提高尺寸稳定性。
