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锂电池隔膜二十项性能指标

更新时间：2025-03-08      点击次数：293

锂电池隔膜二十项性能指标！

朴小烯 朴烯晶 2025年03月05日 11:57 
序言
锂电池隔膜一般采用高强度薄膜化的聚烯烃多孔膜，是锂离子电池四大主材中科技含量最高、国产化最晚的组件。它的主要功能是电子绝缘、离子导通，即隔离正负极防止短路，同时让电解液中的锂离子通过。还可以在电池过热时，通过闭孔功能来阻隔电流传导。
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图片
4680 白色隔膜
隔膜是一种具有微孔结构的薄膜，是锂离子电池产业链中技术壁垒的关键内层组件。在锂电池中起到如下两个主要作用：
1）隔开锂电池的正负极，防止正负极接触形成短路
2）薄膜中的微孔能够让锂离子通过，形成充放电回路
隔膜结构理化特征指标
1）厚度：锂离子电池隔膜的厚度一般≤25μm。在保证一定的机械强度的前提下，隔膜的厚度越薄越好。现在，新型的高能电池大都采用膜厚 20μm或16μm的单层隔膜；电动汽车(EV)和混合电动汽车(HEV)所用电池的隔膜在40μm左右，这是电池大电流放电和高容量的需要，而且隔膜越厚，其机械强度就越好，在组装电池过程中不易短路。
2) 孔径和分布：作为电池隔膜材料，本身具有微孔结构，容许吸纳电解液；为了保证电池中一致的电极/电解液界面性质和均一的电流密度，微孔在整个隔膜材料中的分布应当均匀。孔径的大小与分布的均一性对电池性能有直接的影响：孔径太大，容易使正负极直接接触或易被锂枝晶刺穿而造成短路；孔径太小则会增大电阻。微孔分布不匀，工作时会形成局部电流过大，影响电池的性能。
3）孔隙率：透过性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。孔隙率对膜的透过性和电解液的容纳量非常重要。大多数商用锂离子电池隔膜的孔隙率在40％- 50％之间。
4）透气性：一定条件下（压力，测定面积）一定量空气通过隔膜所需要的时间，称作Gurly值．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。
5) 曲折度：是隔膜中有效毛细管的平均长度(即离子实际通过的路程)与隔膜厚度的比值。隔膜孔隙呈理想的平行网柱通道，锂离子可轻易穿梭，此时电池的内阻小；隔膜孔隙呈曲折状态，锂离子任隔膜中穿梭路径变长，降低了锂离子在正、负极材料之间往返的速率，因此电池的内阻增大，同时还容易诱导锂离子枝晶的生长而刺破隔膜，引起安全隐患。
6）电解液湿润性与润湿速度：隔膜的润湿性不好会增加隔膜和电池的电阻，影响电池的循环性能和充放电效率。隔膜的润湿速度是指电解液进入隔膜微孔的快慢，它与隔膜的表面能、孔径、孔隙率、曲折度等特性有关。
7）吸液率与保液率：由于电池隔膜材料兼具电解质的功能，所以必须具备下列条件：足够的吸液率以保证离子通道畅通无阻，而且在电池体系中，不可避免的会有大量的副反应发生，消耗大量的电解液，所以必须有足够的贮备，否则就会由于电解液的缺少引起界面电阻的增加，同时还会加速电解液的消耗，这将是恶性的循环，所以吸液率是个很重要的隔膜参数。保液率差导致电池内阻增加，影响循环与充放电性能。
8）化学稳定性：主要是指隔膜电解液中的耐腐蚀性和尺寸稳定性。由于电解液中含有大量有机物质，因此要求隔膜在浸润时不能和电解液发生化学反应，同时要求有较好的尺寸稳定性，不发生胀缩和变形。目前尚无隔膜化学稳定性的相关测试标准，但要求用于制造隔膜的材料能够保证电池长时间正常使用。
隔膜力学性能参数
1）抗拉强度：拉伸强度是反映隔膜在使用过程中受到外力作用时维持尺寸稳定性的参数，若拉伸强度不够，隔膜变形后不易恢复原尺寸会导致电池短路。隔膜的抗张强度与膜的制作工艺有关。
2）刺穿强度：抗穿刺强度是指施加在给定针形物上用来戳穿给定隔膜样本的质量，它用来表征隔膜装配过程中发生短路的趋势。电池的组装和拆卸，以及实际使用中反复充放电等因素，要求隔膜必须具备一定的物理强度以克服上述过程中的物理冲击、穿刺、磨损和压缩等作用带来的损坏，因此需要考察隔膜的穿刺强度。
3）混合穿刺强度：混合穿刺强度测试的是电极混合物刺穿隔膜造成短路时隔膜所受到的力。合穿刺强度一般用于电池发生短路概率的评估，由于锂离子电池的隔膜与正、负极的粗糙表面有接触，在电池的组装和使用过程中，电极表面有可能将隔膜刺穿，因此混合穿刺强度相对穿刺强度而言是一种动态的指标参数。
隔膜热性能
1）热稳定性：热稳定性是指隔膜在电池工作温度范围内保持其化学和物理特性 不变的 能力。隔膜的热稳定性不足会导致热失控和电池过热，这是电池安全性问题的主要原因之一。
2）热闭合温度：热闭合效应是隔膜对锂电池的一种特殊保护机制，即当电池的使用温度过高时，隔膜会自动将原来可以让锂离子自由透过的微孔闭合，阻止锂离子在正、负极之间的交换，使电池内阻增大，从而避免了因温度过高和电流过大而造成的短路甚至是爆炸的危险。
但是隔膜的闭合性是单向不可逆的，即一旦发生自闭合效应，电池便报废、不再具有使用价值。隔膜通常采用聚合物作为基材，因此当电池的温度达到了隔膜基材的熔点时，聚合物熔融流动，从而导致原有的微孔结构闭合，即基材的熔点一般为隔膜的热闭合温度。
3）熔融破裂温度：隔膜的熔融破裂温度是指温度达到热闭合温度后进一步上升，隔膜基材由于高温熔融而处于黏流状态，力学性能下降并自发破裂时的温度。由于隔膜破裂等效于电路中发生了短路，因此电池的电阻将下降为零。
4）热收缩率：由于在高温下隔膜易发生收缩形变，因此可以通过热收缩率来表征隔膜高温下的尺寸稳定性。
隔膜电化学性能
1）线性伏安扫描测试(LSV)：为了研究隔膜的电化学稳定性，通常对其进行线性伏安扫描测试。具体的操作方法是将隔膜夹在不锈钢片和金属锂片之间，组装成为扣式电池，其中不锈钢片作为工作电极、金属锂片作为参比电极，并用IVIUM电化学工作站对其测试。通常可以采用1.0mV／s的扫描速率，电压则可以从开路设置到6.0V。
2）电化学阻抗谱测试(EIS)：电化学阻抗谱是研究电化学界面过程的重要方法，被广泛应用于研究锂离子在碳材料和过渡金属氧化物中的嵌入和脱出过程，同时也被用于研究电池中隔膜对锂离子透过性的影响。一般情况下，用交流法测量的电化学阻抗谱图中，可以得到电池的内阻(和隔膜的电阻有关)，因此可以用此方法得到电池的电荷转移电阻。采用IVIUM电化学工作站测试，频率为0.1Hz一100kHz。
3）循环性能(CP)：电池的循环性能主要由循环次数、放电容量和保留容量3个指标来衡量。电池连续重复进行多次的充放电行为称为循环充放电，电池循环充放电的次数称为循环次数；放电容量是指电池充满电后第一次的放电容量；保留容量是指完成一定次数的循环充放电后，电池依旧保持的放电容量。通常至少循环100次以后，得到的循环性能的数据才有说服力。因此，隔膜的性能优劣，直接影响到电池的循环性能。
4）离子电导率：离子电导率和离子电阻率互为倒数，实际测试得到的通常是电池的离子电阻，即体积电阻。
5）Mac-Mullin值：Mac-Mullin值(Nm)是指在饱和电解液中的多孔介质的电阻与相同体积的饱和电解液电阻的比值。因实际测得的电池体积电阻(Rb)也包含了隔膜的电阻(Rs)和电解液的电阻(Re)。
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