锂电隔膜基本参数,锂电池隔膜的安全性能要求

2019-09-16      3528 次浏览

锂电隔膜基本参数,锂电池隔膜的安全性能要求。隔膜作为锂电池的重要组成部件,对阻隔电子通过防止短路和保证内部离子透过使电池高效、稳定、安全地运行具有重要意义。虽然隔膜自身未发生任何的电化学反应,但其结构和性能却影响电池的界面结构和内阻等,进而影响锂电池整体的容量、充放电电流密度、循环性能以及安全性等。因此通过对锂电池隔膜的各项性能参数的分析测试和调控,可有效提高电池的安全性能。


锂电隔膜主要性能指标


参考美国先进电池联盟(USABC)对锂离子电池隔膜性能参数的规定,电池隔膜性能大致可以分为理化特性、力学性能、热性能及其电化学性能4个方面。


其中,理化特性包括厚度、孔隙率、平均孔径大小与孔径分布、透气性、曲折度、润湿性、吸液率、化学稳定性8项参数;力学性能主要包括穿刺强度、混合穿刺强度和拉伸强度3项参数;热性能包括热闭合温度、熔融破裂温度和热收缩率3项指标;电化学性能包括线性伏扫描测试(LSV)、电化学阻抗谱测试(EIS)、循环性能(CP)、离子电导率和Mac-Mullin值5项参数。


锂电隔膜基本参数


●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。


●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。


●热稳定性


隔膜需要在电池使用的温度范围内(-20C~60C)保持热稳定。一般来说目前隔膜使用的PE或PP材料均可以满足上述要求。当然还有一个就是由于电解液对水份敏感,大多数厂家会在注液前进行80C左右的烘烤,这对PP/PE隔膜也不会存在太大的问题。


●热关闭温度


内容由于安全性问题比较严重,目前锂电池用隔膜一般都能够提供一个附加的功能,就是热关闭。一般我们将原理电池(两平面电极中间夹一隔膜,使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称为热关闭温度。这一特性可以为锂离子电池提供一个额外的安全保护。实际上关闭温度和材料本身的熔点密切相关,如PE为135C附近。当然不同的微结构对热关闭温度有一定的影响。但对于小电池,热关闭机制所起的作用很有限。


锂电池隔膜的安全性能要求


1、力学性能


隔膜的力学性能是影响其应用的一个重要因素,如果隔膜破裂,就会发生短路,降低成品率,因此要求隔膜在电池组装和充放电结构使用过程中,需要自身具有一定的机械强度。隔膜的机械强度可用抗穿刺强度和拉伸强度来衡量。


拉伸强度,隔膜的拉伸强度与制膜的工艺相关联。采用单轴拉伸,膜在拉伸方向上与垂直方向强度不同;而采用双轴拉伸时,隔膜在两个方向上一致性会相近。一般拉伸强度主要是指纵向强度要达到100MP以上,横向强度不能太大,过大会导致横向收缩率增大,这种收缩会加大锂电池厂家正、负极接触的几率。


抗穿刺强度,抗穿刺强度是指施加在给定针形物上用来戳穿隔膜样本的质量,用它来表示隔膜在装配过程中发生短路的趋势。因隔膜是被夹在凹凸不平的正、负极片间,需要承受很大的压力。为了防止短路,所以隔膜必须具备一定的抗穿刺强度。抗穿刺强度值一般在300-500g。


2、透过性能


透过性能可用在一定时间和压力下,通过隔膜气体的量的多少来表征,主要反映了锂离子透过隔膜的通畅性。隔膜透过性的大小是隔膜孔隙率、孔径、孔的形状及孔曲折度等隔膜内部孔结构综合因素影响的结果。


经过几年的发展,我国锂电池隔膜取得了较大进步,成为全球锂离子电池的重要生产地之一。锂电池的安全与环保要求越来越高,隔膜作为锂电池内部的重要组成部分,它的安全性能也是锂电池行业重要考虑点之一。随着世界各国对于锂电池隔膜生产技术的不断研究与不断改进,相信其安全性能会逐步提高,并且能够得到更为广泛的运用。


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