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杰富承18650锂电池隔膜的性能特征说明

发布时间:2019-02-19 10:06:00  来源:锂电池厂家




 

一、热性能
 
与大多数电池一样,在一定的温度以上电池内的组分将发生放热反应而导致 “自热”。另外由于充电器失灵、安全电流失灵等将会导致过度充电发生,锂离子电池在过度充电时会产生热量,锂电池中隔膜的自关闭性质是锂离子电池限制温度升高及防止短路的有效方法之一。当温度接近聚合物熔点时,传导离子的多孔聚合物膜变成了无孔的绝缘层,微孔闭合而产生自关闭现象。这时,阻抗明显上升,通过电池的电流也受到限制,因而可防止由于过热而引起的爆炸等现象,这种功能称为隔膜的电流切断(shutdown)特性。
 
大多数聚烯烃隔膜由于其熔化温度低于200℃,如聚乙烯隔膜的自闭温度为130-140℃,而聚丙烯隔膜的自闭温度为170℃左右。但在某些情况下,即使已经 “自闭”,电池的温度仍然可能继续升高,为了提高电池隔膜在shutdown熔化温度的范围,保证隔膜能耐足够高的强度,近年来开发了PP与PE复合膜。由于PP/PE/PP复合隔膜提供了较低的自闭温度,同时又保持了其强度,复合隔膜具有二者的优势,其安全性要比只用单层膜要好。
 
采用单层PP隔膜的锂离子电池,在温度为165℃时阻抗明显升高约2个数量级,但是其阻抗仍然不是很高,此情形下仍有可能继续充电而导致安全问题;b为PE隔膜,其自闭温度为135℃,此时阻抗约升高3个数量级,可以看出PE具有较低的自闭温度及高的阻抗;c为PP/PE/PP多层隔膜,其自闭温度宽且自闭时阻抗较高,在锂离子电池中使用较安全。因此多层复合隔膜既具有一定的强度又具有较低的自闭温度,较适合作为锂离子电池隔膜。值得指出的是,并不是所有隔膜都具有相同的关闭行为,其关闭能力与聚合物的分子量、结晶度、加工历史等有关。
 
二、透气度
 
隔膜的透气度,是指在一定条件下 (压力、测定面积),一定量气体通过隔膜所需的时间,称作Gurley指数。透气度是透气膜的一种重要的物化指标,它是由膜的孔径大小、孔径分布、孔隙率等决定的。由于透气度的测定方法比较简便,经常用来作为评价隔膜对电池性能影响的参数。压降随时间下降越快,表明隔膜的透气率越高,反之则越低。一般而言,孔隙率越低,压降下降越慢,透气率越低。双层或多层膜的透气率一般低于同种材料的单层膜,对于孔隙率相同的同种材料,透气率相近;不同材料即使孔隙率相近,但是由于孔径贯通性的差别,其透气率也有很大的差别。
 
三、孔隙率
 
大多数锂离子电池隔膜的孔隙率在40%-50%之间,其中有些商品隔膜(如表面经表面活性剂处理)其孔隙率低于30%,也有的隔膜孔隙率较高,可达60%左右。
 
高性能的锂离子电池主要依赖于隔膜中所填充液体电解质的离子传导性,锂离子电池的非水液体电解质的离子传导率一般在10的负二次方-10的负三次方S·cm负一次方范围内。尽管隔膜能有效阻止正负极之间短路,降低正负极之间的距离,从而相应地降低电池的阻抗,但它的存在导致电解液中有效离子传导率下降,增加了电池的阻抗,有的隔膜甚至可以导致离子传导率下降1~2个数量级。
 
原则上,对于一定的电解质,具有高孔隙率的隔膜可降低电池的阻抗,但是孔隙率并非越高越好,孔隙率越高,它们的抗力学性能及抗开孔性能就越差。即使孔隙率及厚度一致,由于孔的贯通性不一样,其阻抗也可能不相同。
 
四、孔径大小及分布
 
商品膜的孔径一般在0.03-0.05μm或0.09-0.12μm,大多商品膜的最大孔径与平均孔径分布的差别低于0.01μm,孔径分布较窄。亚微米级孔径对于防止锂电池的正负极短路是极其重要的。隔膜越薄,越有利于溶质通过,从而提高能量密度及降低电池的阻抗,但是为了防止电极上掉下来的活性物质通过隔膜而引起物理短路,其厚度一般为25-35μm。
 
孔径的大小及分布与微孔膜的制备方法有关,在熔融挤出/拉伸/热定型方法中,与熔融挤出的温度、应力、冷却条件及拉伸条件等工艺条件有很大关系,此外还与加入成核剂的种类及数量密切相关。而在热致相分离方法中,其孔径的大小及分布与添加的第二组分的数量、挤出温度及拉伸条件有关。
 
五、机械强度 
 
机械强度有两个参数,一个是隔膜在长度方向以及垂直方向的拉伸强度,另一个是在厚度方向上的穿刺强度。锂离子电池对隔膜的强度要求较高,一般而言孔隙率越高,其阻抗越低,强度下降。由于湿法和干法制得的隔膜都是由拉伸形成微孔,所以在拉伸方向上的强度比较高,25μm厚的隔膜拉伸强度在1000kg·cm负二次方以上。采用单轴拉伸时,膜在拉伸方向与垂直拉伸方向的强度不同,典型的锂电池隔膜在垂直拉伸方向上的强度约是拉伸方向的1/10。采用双轴拉伸制备的隔膜其强度在两个方向上基本一致。实际的电池制造中,要求的是长度方向的拉伸强度,目前市售隔膜的拉伸强度都能满足电池制造的要求。
 
穿刺强度和电极板表面的粗糙度有关,电极使用的材料不同,要求隔膜的穿刺强度也不同。例如,碳素材料颗粒如果细而且没有棱角,要求隔膜的穿刺强度值就比较低,相反,如果颗粒粗而大,并且棱角尖锐,则要求的隔膜穿刺强度就高。
 
此外,还用离子电导率、电化学稳定窗口、锂离子迁移数等来表征聚合物电解质膜。多层隔膜既具有一定的强度又具有较低的自关闭温度,较适合作为锂离子电池隔膜。固体聚合物电解质在锂离子电池中作为电解质的同时还可起到隔膜的作用,是很有前途的锂离子电池隔膜材料。
 
六、电性能
 
隔膜的绝缘性能可以用绝缘耐压性来评价。如果隔膜的绝缘耐压性高,它的电接触耐压能力也就提高。注入电解液前在电池上加电压,如果有电流,那就说明有电接触。此评价的结果依赖于隔膜的强度和电池装配条件,尤其是依赖于电极的设计。
 
隔膜在保持电解液时电阻要低,如果此时电阻过高必将影响电池的容量特性及电池性能。电阻根据电解不同发生变化,含有锂盐的PC/DME阻抗的数值在Ω·cm2 的数量级。
 
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