鉅大LARGE | 點(diǎn)擊量:1332次 | 2021年03月11日
鋰離子電池用隔膜有什么基本要求?
電池隔膜最重要的功能是電子絕緣離子導(dǎo)通,即阻止正負(fù)電極在電池中的直接的電子接觸,但是離子可以自由通過(guò)。關(guān)于鋰離子電池用隔膜,基本要求如下:
1.厚度
關(guān)于消耗型鋰離子電池(手機(jī)、筆記本電腦、數(shù)碼相機(jī)中使用的電池),25微米的隔膜逐漸成為標(biāo)準(zhǔn)。然而,由于人們對(duì)便攜式產(chǎn)品的使用的日益上升,更薄的隔膜,比如說(shuō)20微米、18微米、16微米、甚至更薄的隔膜開(kāi)始大范圍的應(yīng)用。關(guān)于動(dòng)力鋰電池來(lái)說(shuō),由于裝配過(guò)程的機(jī)械要求,往往要更厚的隔膜,如30微米、40微米等。當(dāng)然關(guān)于動(dòng)力用大電池,安全性也是非常重要的,而厚一些的隔膜往往同時(shí)意味著更好的安全性。
2.透氣率
從學(xué)術(shù)角度來(lái)說(shuō),隔膜在電池中是惰性的,即隔膜不是電池的必要組成部分,而僅僅是電池工業(yè)化生產(chǎn)的要求。隔膜的存在首先要滿足它不能惡化電池的電化學(xué)性能,重要表現(xiàn)在內(nèi)阻上。含電解液的隔膜的電阻率和電解液本身的電阻率之間的比值稱為MacMullin數(shù)。一般來(lái)說(shuō),消耗型鋰離子電池的這個(gè)數(shù)值為接近8,當(dāng)然這個(gè)數(shù)值越小越好。通常來(lái)說(shuō),鋰離子電池隔膜中會(huì)有一個(gè)透氣率的參數(shù),或者叫Gurley數(shù)。這個(gè)數(shù)是這么含義的,即一定體積的氣體,在一定壓力條件下通過(guò)一定面積的隔膜所要的時(shí)間,氣體的體積量一般為50cc,有些公司也會(huì)標(biāo)100cc,最后的結(jié)果會(huì)差兩倍。面積應(yīng)該是1平方英寸,壓力差記不太清楚了。這個(gè)數(shù)值從一定意義上來(lái)講,和用此隔膜裝配的電池的內(nèi)阻成正比,即該數(shù)值越大,則內(nèi)阻越大。然而,關(guān)于不同的隔膜,該數(shù)字的直接比較沒(méi)有任何意義。因?yàn)殇囯x子電池中的內(nèi)阻和離子傳導(dǎo)有關(guān),而透氣率和氣體傳到有關(guān),兩種機(jī)理是不相同的。換句話說(shuō),單純比較兩種不同隔膜的Gurley數(shù)是沒(méi)有意義的,因?yàn)榭赡軆煞N隔膜的微觀結(jié)構(gòu)完全不相同;但同一種隔膜的Gurley數(shù)的大小能很好的反應(yīng)出內(nèi)阻的大小,因?yàn)橥环N隔膜相對(duì)來(lái)說(shuō)微觀結(jié)構(gòu)是相同的或可比較的。
3.浸潤(rùn)度
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)。這方面沒(méi)有一個(gè)公認(rèn)的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。大致可以通過(guò)以下試驗(yàn)來(lái)判斷:取典型電解液(如EC:DMC=1:1,1MLiPF6),滴在隔膜表面,看是否液滴會(huì)迅速消失被隔膜吸收,假如是則說(shuō)明浸潤(rùn)性基本滿足要求。更準(zhǔn)確的測(cè)試可以用超高時(shí)間分辨的攝像機(jī)記錄從液滴接觸隔膜到液滴消失的過(guò)程,計(jì)算時(shí)間,通過(guò)時(shí)間的長(zhǎng)短來(lái)比較兩種隔膜的浸潤(rùn)度。浸潤(rùn)度一方面?zhèn)€隔膜材料本身相關(guān),另一方面?zhèn)€隔膜的表面及內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。
4.化學(xué)穩(wěn)定性
換句話說(shuō)就是要求隔膜在電化學(xué)反應(yīng)中是惰性的。經(jīng)過(guò)若干年的工業(yè)化檢驗(yàn),一般認(rèn)為目前隔膜用材料PE或PP是滿足化學(xué)惰性要求的。
5.孔徑
一般來(lái)說(shuō),隔膜為了阻止電極顆粒的直接接觸,很重要的一點(diǎn)就是防止電極顆粒直接通過(guò)隔膜。目前所使用的電極顆粒一般在10微米的量級(jí),而所使用的導(dǎo)電添加劑則在10納米的量級(jí),不過(guò)很幸運(yùn)的是一般碳黑顆粒傾向于團(tuán)聚形成大顆粒。一般來(lái)說(shuō),亞微米孔徑的隔膜足以阻止電極顆粒的直接通過(guò),當(dāng)然也不排除有些電極表面處理不好,粉塵較多導(dǎo)致的一些諸如微短路等情況。
6.穿刺強(qiáng)度
這個(gè)參數(shù)實(shí)際上是由于電極表面不夠平整,以及裝配過(guò)程中工藝水平有限而提出的一個(gè)要求,因此要求隔膜有相當(dāng)?shù)拇┐虖?qiáng)度。穿刺強(qiáng)度的測(cè)試有工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)可遵循,大致是在一定的速度(每分鐘3-5米)下,讓一個(gè)沒(méi)有銳邊緣的直徑為1mm的針刺向環(huán)狀固定的隔膜,為穿透隔膜所施加在針上的最大力就稱為穿刺強(qiáng)度。同樣的,由于測(cè)試的時(shí)候所用的方法和實(shí)際電池中的情況有很大的差別,直接比較兩種隔膜的穿刺強(qiáng)度不是特別合理,但在微結(jié)構(gòu)一定的情況下,相對(duì)來(lái)說(shuō)穿刺強(qiáng)度高的,其裝配不良率低。但單純追求高穿刺強(qiáng)度,必然導(dǎo)致隔膜的其他性能下降。