学术干货丨电池隔膜的表征参数及意义
对于锂电池的基础研究，主要集中于正负极和电解液，而组成电池的其他组件，例如隔膜你是否也很了解呢？
隔膜功能及机理
电池隔膜最主要的功能是分隔电池中的正负极板，防止正负极板直接接触产生短路，同时，由于隔膜中具有大量曲折贯通的微孔，电池中的正负离子可以在微孔中自由通过，在正负极板之间迁移形成电池内部导电回路，而电子则通过外部回路在正负电极之间迁移形成电流，供用电设备利用。
注意：目前有些人在解释隔膜功能时，通常解释为“隔膜上的微孔可以让离子通过而电子不能通过”的说法是没有根据的，它不符合原电池的基本原理，因为电池内部的电解液中自由电子是以正负离子的形式存在，电池内部的导电是靠离子在正负极之间的迁移来实现的。
基本表征参数及其意义
1、厚度
指隔膜的厚度，在同样大小的电池中，隔膜厚度越厚，能卷绕的层数就越少，相应容量也就会降低；较厚的产品，穿刺强度会稍高，安全性会高一些；同样孔隙率的情况下，越厚的产品，其透气率会稍差，使得电池的内阻会高一点。但是，由于目前的生产技术限制，较厚或较薄的产品在生产上有一定的难度，厚度的均匀性，收得率会低一些。对于消耗型锂离子电池（手机、笔记本电脑、数码相机中使用的电池），25 微米的隔膜逐渐成为标准。然而，由于人们对便携式品的使用的日益增长，更薄的隔膜，比如说20 微米、18 微米、16 微米、甚至更薄的隔膜开始大范围的应用。对于动力电池来说，由于装配过程的机械要求，往往需要更厚的隔膜，当然对于动力用大电池，安全性也是非常重要的，而厚一些的隔膜往往同时意味着更好的安全性。
常用单位：μm
典型值：16、18、20、25、30
影响电池性能：安全性、容量、内阻
2、透气率
又叫 Gurley 数，反映隔膜的透过能力。即一定体积的气体，在一定压力条件下通过1 平方英吋面积的隔膜所需要的时间。气体的体积量一般为50ml，有些公司也会标100ml，最后的结果会差两倍。透气率从一定意义上来讲，和用此隔膜装配的电池的内阻成正比，即该数值越大，则内阻越大。然而，对于不同类型、厚度的隔膜，该数字的直接比较没有任何意义。因为锂离子电池中的内阻和离子传导有关，而透气率和气体传导有关，两种机理是不一样的。换句话说，单纯比较两种不同隔膜的Gurley 数是没有意义的，因为可能两种隔膜的微观结构完全不一样；但同一种隔膜的Gurley 数的大小能很好的反应出内阻的大小，因为同一种隔膜相对来说微观结构是一样的或可比较的。
常用单位：s/100ml
典型值：200~800s/100ml
影响电池性能：内阻
3、吸液率
反映隔膜材料、微观结构与电池液的浸润性能。为了保证电池的内阻不是太大，要求隔膜是能够被电池所用电解液完全浸润，这方面没有一个公认的检测标准。大致可以通过以下试验来判断：取一定面积的隔膜完全浸泡在电解液中，看隔膜吸收电解液的重量，同样厚度的隔膜，吸收的重量越大，浸润效果越好。浸润度一方面与隔膜材料本身有关，还与隔膜的表面及内部微观结构密切相关，另一方面与电解液的配方也有很大关系。
常用单位：g/m2
影响电池性能：内阻、容量
4、化学稳定性
隔膜的使用环境是一个化学环境，因此要求隔膜对电解液具有化学惰性，即不与电解液发生化学反应，也不能影响电解液的化学性质。目前市场上供应的隔膜用材料 PE 或PP 是满足化学惰性要求的。
5、孔径
一般湿法隔膜的孔径在 0.01~0.1μm，干法隔膜的孔径在0.1~0.3μm，孔径的大小与隔膜的透气率有关，过大的孔径有可能导致隔膜穿孔形成电池微短路。
影响电池性能：内阻、短路率
6、穿刺强度
隔膜抗穿刺的能力。在电池制造过程中由于电极表面涂覆不够平整、电极边缘有毛刺等情况，以及装配过程中工艺水平有限等因素，因此要求隔膜有相当的穿刺强度。另外，还有一种观点是电池在使用过程中电池内部会逐渐形成枝状晶体，有可能刺破隔膜，造成内部微短路。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。
常用单位：g/厚度
典型值：>300g/20μm（湿法）
影响电池性能：短路率、安全性
7、拉伸强度
反映隔膜的拉伸机械强度，拉伸强度大的隔膜在使用中不容易被拉伸变形。
常用单位：MPa
典型值：湿法，MD/TD>90MPa
干法，TD>150MPa，MD>5MPa
影响电池性能：制造过程、安全性
8、热收缩率
反映隔膜在受热时的尺寸稳定性。除了隔膜需要在电池使用的温度范围内（-20~60℃）保持尺寸稳定外，还有一个就是在电池生产过程中由于电解液对水份非常敏感，大多数厂家会在注液前进行85℃左右的烘烤，要求在这个温度下隔膜的尺寸也应该稳定，否则会造成电池在烘烤时，隔膜收缩过大，极片外露造成短路。
常用单位：%（90℃2h）或（120℃1h）
典型值：90℃2h 湿法 MD 纵向<5.0%,TD 横向<3.0% 干法 MD<3.0%,TD<1.0%
120℃1h 湿法 MD/TD<20% 干法 MD/TD<10%
影响电池性能：短路率、安全性
9、闭孔温度、破膜温度
反映隔膜耐热性能和热安全性能的重要参数闭孔温度是指达到这一温度后，隔膜闭孔，电池内部形成断路，防止电池内部温度由于内部电流过大进一步上升，造成安全隐患。这一特性可以为锂离子电池提供一个额外的安全保护。闭孔温度与材料本身的熔点密切相关，如PE 为128~135℃，PP 在150~166℃。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。破膜温度是造成电池破坏的极限温度，在此温度下，隔膜完全融化收缩，电极内部短路产生高温直至电池解体或爆炸。
典型值：PE 膜 闭孔128~135℃ 破膜>145℃
PP 膜 闭孔150~166℃，
三层复合膜 双闭孔温度，破膜温度高
影响电池性能：耐热安全性
10、孔隙率
反映隔膜内部微孔数量，目前，锂离子电池用隔膜的孔隙率为40%左右。孔隙率的大小和内阻有一定的关系，但不同种隔膜之间的空隙率的绝对值无法直接比较。
典型值：40~60%
影响电池性能：内阻
11、静电
隔膜表面带有较强静电时，会造成隔膜吸尘，还会造成叠片时与极片吸在一起，不容易与极片对齐，使生产效率降低。
12、弯曲度
隔膜分切后产生的弧形，弧形明显时会造成叠片不齐，卷绕时产生涡状，造成极片外露而短路。
13、面密度
指隔膜单位面积的重量。由于隔膜含有大量微孔，随着微孔数量减少，隔膜面密度的增大，孔隙率、透气率会降低。不同厚度、不同工艺的隔膜，其面密度无可比性。
常用单位：g/m2
典型值：8~12 g/m2
影响电池性能：内阻
目前隔膜生产厂家：
美国：Celgard（三层PP/PE/PP），Entek (单层PE)
日本：Asahi，Tonen（单层PE），UBE（三层PP/PE/PP），Nitto，三井
韩国：Wide、W-Able、SK、W-scope
中国：江苏清陶能源（纳米陶瓷纤维隔膜）、新乡格瑞恩（单层PP）、佛山金辉（单层PE）、台湾高银（三层PP/PE/PP）、桂林新时（单层 PP，新乡技术）
目前实验室使用的较多为美国Celgard系列，各种锂电仪器设备试剂耗材，材料人都有卖哦！
本文来自网络，材料人网编辑整理，材料人网专注于跟踪材料领域滚球体育 及行业进展，这里汇集了各大高校硕博生、一线科研人员以及行业从业者，如果您对于跟踪材料领域滚球体育 进展，解读高水平文章或是评述行业有兴趣，点我加入编辑部。
材料人网向各大团队诚心约稿，课题组最新成果、方向总结、团队访谈、实验技能等皆可投稿，请联系：邮箱tougao@cailiaoren.com 或 QQ：97482208。
文章评论(0)