關(guān)于鋰離子電池中的隔膜材料詳解
來源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-07-09 16:50
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（1）厚度——在容量和安全性之間找平衡
直觀地來看，在同樣大小的電池中，隔膜厚度越厚，正負(fù)極能卷繞的層數(shù)就越少，相應(yīng)的電池容量也就會(huì)降低；另一方面，較厚的產(chǎn)品，抵抗穿刺的性能會(huì)稍高，安全性會(huì)高一些，但是同樣孔隙率的情況下，越厚的產(chǎn)品，其透氣率越差，使得電池的內(nèi)阻越高，從而使電池充放電性能變差。
總體來講隔膜的厚度直接影響電池的安全性、容量和內(nèi)阻等指標(biāo)，目前常用的隔膜厚度一般為9～32um。
(2)孔徑——在通透性和阻隔性之間尋找平衡
為了使電解液及其中的鋰離子能夠順利通過，鋰電池隔膜上面要求有適當(dāng)孔隙的微孔?？讖揭话阍?.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。此外，孔徑大小及分布均需要盡量均勻，以保證隔膜性能的一致性。
從現(xiàn)有的工藝水平來看，濕法隔膜的孔徑在0.01~0.1um，干法隔膜的孔徑在0.1~0.3um，二者工藝均能夠滿足要求。
(3)透氣率——影響鋰電池的內(nèi)阻
從定義來看，透氣率又叫Gurley數(shù)，反映隔膜的透過能力。即一定體積的氣體，在一定壓力條件下通過1平方英寸面積的隔膜所需要的時(shí)間。對(duì)于鋰電池來說，該參數(shù)反應(yīng)了隔膜對(duì)電解質(zhì)的透過能力，從而影響電池的內(nèi)阻。在不影響其他參數(shù)的情況下，該參數(shù)越高越好。
(4)吸液率——衡量隔膜對(duì)電解液的浸潤(rùn)程度，影響鋰電池的內(nèi)阻和容量
直觀來看，為了保證電池的內(nèi)阻不是太大，要求隔膜是能夠被電池所用電解液完全浸潤(rùn)，但是目前這方面沒有一個(gè)公認(rèn)的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。
當(dāng)前市場(chǎng)上通用的衡量標(biāo)準(zhǔn)是：取一定面積的隔膜完全浸泡在電解液中，看隔膜吸收電解液的重量(常用單位是g/m2)，同樣厚度的隔膜，吸收的重量越大，浸潤(rùn)效果越好。
(5)穿刺強(qiáng)度——反映隔膜抗外力穿刺的能力，影響電池的短路率和安全性
電池生產(chǎn)和使用中都有可能產(chǎn)生外力穿刺。一般對(duì)產(chǎn)品都會(huì)做穿刺實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證隔膜的可靠性，穿刺強(qiáng)度一般要求大于300g/20um。
(6)拉伸強(qiáng)度——反映隔膜抗外力擠壓的能力，影響電路的短路率和安全性
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。
(7)熱收縮率——反映隔膜工作環(huán)境下的尺寸穩(wěn)定性
一方面，隔膜需要在電池使用的溫度范圍內(nèi)(-20~60℃)保持尺寸穩(wěn)定；另一方面，在電池生產(chǎn)過程中由于電解液對(duì)水份非常敏感，大多數(shù)廠家會(huì)在注液前進(jìn)行85℃左右的烘烤，要求在這個(gè)溫度下隔膜的尺寸也應(yīng)該穩(wěn)定，否則會(huì)造成電池在烘烤時(shí)，隔膜收縮過大，極片外露造成短路。
一般要求90℃條件下加熱2小時(shí)條件下，縱向<5.0%，橫向<3.0%。
(8)閉孔溫度、破膜溫度——反映隔膜耐熱性能和熱安全性能的最重要參數(shù)
閉孔溫度是指達(dá)到這一溫度后，隔膜能夠在熱作用下關(guān)閉孔隙，從而在電池內(nèi)部形成斷路，防止電池內(nèi)部溫度由于內(nèi)部電流過大進(jìn)一步上升，造成安全隱患。
破膜溫度是造成電池破壞的極限溫度，在此溫度下，隔膜完全融化收縮，電極內(nèi)部短路產(chǎn)生高溫直至電池解體或爆炸。破膜溫度一般在隔膜的基膜熔點(diǎn)附近，比如聚乙烯（PE）隔膜的熔點(diǎn)在110-130 ℃，聚丙烯（PP）隔膜的熔點(diǎn)在170 ℃左右。
(9)孔隙率——反映隔膜內(nèi)部的微孔數(shù)量，影響電池內(nèi)阻
孔隙率是材料中孔隙體積占總體積的比例，反映隔膜內(nèi)部微孔體積占比多少?？紫堵实拇笮∮绊戨姵氐膬?nèi)阻，但不同種隔膜之間的空隙率的絕對(duì)值無法直接比較。
孔隙率較大便于鋰離子通過，但是孔隙率過大則影響機(jī)械強(qiáng)度和閉孔性能。目前商用隔膜孔隙率一般在40%~60%之間。
要分析兩個(gè)產(chǎn)品彼此間優(yōu)劣的關(guān)注點(diǎn)無外乎性能和成本兩個(gè)。而對(duì)于評(píng)價(jià)隔膜材料的性能，使用上述九大參數(shù)足以。至此我們就可以沿著這樣一個(gè)思路來對(duì)各種不同的隔膜材料展開分析。
目前隔膜材料從種類上分為聚烯烴微孔膜和無紡布制造膜兩類。
聚烯烴隔膜是目前最主流的動(dòng)力鋰離子電池隔膜，主要以聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)等為主。雖然聚乙烯、聚丙烯微孔膜其有較高的孔隙率、較低的內(nèi)阻、較高的抗撕裂強(qiáng)度、較好的抗酸堿能力、良好的彈性及對(duì)非質(zhì)子溶劑的保持性能，但其耐熱性能、吸電解液性能以及耐電化學(xué)氧化性能均相對(duì)較差，合適的工作溫度低于150℃，一般需對(duì)其進(jìn)行改性處理才能滿足動(dòng)力離子電池技術(shù)發(fā)展的需要。
無紡布制造膜就是為了解決聚烯烴微孔膜的上述問題而發(fā)展出的，其通常選用聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚酰亞胺（PI）、芳綸等。從材料來看，這些無紡布制造膜的耐熱性確實(shí)優(yōu)勢(shì)明顯。同時(shí)由于其有三維孔結(jié)構(gòu)，因而可有效避免因針刺造成的短路現(xiàn)象，并提高保液率。因此國內(nèi)外企業(yè)、研究機(jī)構(gòu)就無紡布隔膜開展了大量研發(fā)工作。但是這些看著很美好的無紡布鋰電隔膜，目前卻都沒有實(shí)現(xiàn)規(guī)?；虡I(yè)應(yīng)用。究其原因，成本是核心問題，而且其材料實(shí)際性能上也有不足。
成本上，無紡布隔膜往往在10元/平米以上，而現(xiàn)階段涂覆后的中高檔隔膜價(jià)格也就在5-6元左右。在鋰電成本控制越來越嚴(yán)格的行業(yè)趨勢(shì)下，無紡布隔膜顯然缺乏價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。
性能上，目前（1）無紡布隔膜一般拉力強(qiáng)度偏低，難以應(yīng)用到以生產(chǎn)18650電池為代表的高速卷繞工藝上；（2）無紡布隔膜孔徑偏大，較大的孔徑帶來優(yōu)秀的倍率性能，但同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致電池自放電偏大，并對(duì)高溫和存儲(chǔ)性能有潛在影響；（3）應(yīng)用無紡布隔膜要求改變現(xiàn)有鋰電生產(chǎn)工藝，隔膜分切、烘烤溫度、注液量等都需要調(diào)整。因此，既然無紡布制造膜性能上較聚烯烴微孔膜沒有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，而其置換成本較高且制造成本劣勢(shì)顯著，自然難以挑戰(zhàn)聚烯烴微孔膜的地位。
