隔膜对锂电池的作用及影响

发表于 2019-06-13 16:59:37 收藏 已收藏
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隔膜对锂电池的作用及影响

发表于 2019-06-13 16:59:37
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锂电池包作为由多个的单体锂电池通过并联和串联的方式组合而成的锂电池集合体。要谈及锂电池包隔膜材料的作用可以从锂电池隔膜材料的作用来谈起。所以本文主要的内容为锂电池隔膜材料的作用以及隔膜对锂电池的影响。

隔膜是锂电池的结构中最关键的内层组件之一。隔膜的主要作用是将正负极片隔开防止电池短路同时保证充放电时离子的正常通过保证电池的正常工作的作用。其性能的好坏直接影响电池的容量、倍率、寿命以及安全等性能。具体是如何影响的呢?

锂电池包隔膜的作用

锂电池的主要组成结构为正负极,隔膜,有机电解液和电池外壳。在这些结构之中,隔膜是关键的内层组件之一。

隔膜主要起两个作用。第一个作用是作为绝缘层,绝缘层的存在能有效的防止因正负电极相接触而导致的锂电池内部的短路。

第二个作用是作为半透层,半透层可以阻止体积较大的分子通过,允许小体积的带电离子通过,这样可以提高正负电极附近的浓度差,有利于离子的扩散,从而提高锂电池的存储效率。

隔膜除了对锂电池内部的化学反应有用处,对于外部的物理反应也有用处。比如说当锂电池受到外部硬物的挤压,穿刺时,相当于为锂电池多上了一层保险。通常情况下能保障锂电池包受到外物冲击时仅仅会胀气而不是直接发生爆炸。

隔膜对锂电池的作用及影响

隔膜对锂电池的影响

对电压的影响

隔膜厚度较薄,离子迁移的通道较短,极化现象就会有一定消弱,锂电池的低温电压平台相对就会较高。隔膜孔洞过大会加快锂电池的自放电过程,从而降低电池的电压一致性。

对安全性的影响

厚一些的隔膜在锂电池受到外物冲击的时候,能够更好的保障内部的正负极的隔离,所以厚一些的隔膜同时意味着更好的安全性。

由于锂电池在持续的使用过程中温度会升高,所以隔膜一般有能够提供一个热关闭的附加功能。当锂电池包内内阻提高三个数量级时,隔膜的热关闭功能将会开始作用。

对内阻的影响

隔膜的透气率和装配其的锂电池的内阻成正比,即隔膜的透气率越高,锂电池的内阻就会越大。

隔膜能否被锂电池所用的电解液完全浸润也会影响电池的内阻。电解液的浸润度与隔膜材料本身有关也与其内部的微观结构相关。

表1:一部分隔膜性能与电池性能的相关性比较

隔膜对锂电池的作用及影响

厚度

厚度与内阻有关,越薄内阻越小,从而实现大功率充放电。在一定的机械强度下尽可能小,越厚穿刺强度越好。对于消耗型锂离子电池,一般将25μm作为隔膜厚度的标准。但是便携式产品的需求日益增长的形式下,16μm甚至更薄的隔膜开始大范围应用。对于动力电池来说,装配过程中的机械要求,使得所需隔膜更厚一些,而且对于动力电池来说安全性能非常重要,而厚一些的隔膜意味着更好的安全性。

隔膜厚度的均匀性是一个特别重要的质量指标,它直接影响隔膜卷的外观质量以致内在性能,生产过程中必须严格把控。在自动化程度很高的隔膜生产线上,隔膜厚度都是采用精度很高的在线非接触式测厚仪及快速反馈控制系统进行自动检测和控制的。隔膜的厚度均匀性包括纵向厚度均匀性和横向厚度均匀性,其中横向厚度均匀性尤为重要,一般均要求控制在±1微米以内。

孔径

锂电池隔膜材料本身具有微孔结构,微孔在整个隔膜材料中的分布应当均匀。目前所使用的电极颗粒一般在10微米的量级,孔径一般在0.03-0.12um。孔径太小会增加电阻,孔径太大容易使正负极接触或被枝晶刺穿短路。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。

孔隙率

孔隙率是单体膜的体积中孔的体积百分率,它与原料树脂及膜的密度有关。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。现有锂离子电池隔膜的孔隙率在40%-50%之间。

透气阻力

理论上来说,隔膜不是电池的必要组成部分,是未来满足工业化生产才加入的,所以隔膜需要满足一个很重要的性能:不能恶化电池的电化学性能,主要表现在内阻上。用两个参数评价这一性能:

MacMullin数:含电解液的隔膜的电阻率和电解液本身的电阻率之间的比值。此数值越小越好,消耗型锂离子电池的这个数值为8左右。

Gurley数:一定体积的气体,在一定压力条件下通过一定面积的隔膜所需要的时间。与隔膜装配的电池的内阻成正比,即该数值越大内阻越大。不过单纯比较两种不同隔膜的Gurley数是没有意义的,因为它们的微观结构可能完全不一样,但是同一种隔膜的Gurley数的大小可以很好的反应内阻的大小。

温度

闭孔温度:电池内部发生放热反应自热、过充或者电池外部短路时,将会产生大量的热量,造成微孔闭合,从而阻断离子的继续传输而形成断路,起到保护电池的作用,微孔闭合时的温度就是闭孔温度。但对于小电池,热关闭机制所起的作用很有限。一般PE为130-140℃,PP为150℃。闭孔温度低一些比较好。

破膜温度是指电池内部自热,外部短路使电池内部温度升高,超过闭合温度后微孔闭塞阻断电流通过,热熔性能温度进一步上升,造成隔膜破裂、电池短路。破裂时的温度即为破膜温度。破膜温度高一些比较好。

穿刺强度

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。足够的穿刺强度可以防止锂枝晶、极片毛刺刺穿隔膜造成短路,抗穿刺强度值一般在300-500g。但是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。

机械强度

机械强度主要是指隔膜的拉伸强度,足够的拉伸强度可以防止隔膜变形。隔膜的拉伸强度与制膜的工艺有关。采用单轴拉伸,隔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。

浸润性

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。浸润度一方面跟隔膜材料本身相关,另一方面个隔膜的表面及内部微观结构密切相关。较好的浸润性有利于提高隔膜与电解液的亲和性,扩大隔膜与电解液的接触面,从而增加离子导电性,提高电池的充放电性能和容量。浸润性可通过测定其吸液率和持液率来衡量。

一致性

由于制备工艺的不同,隔膜一致性可能差别较大。一致性包括闭合温度等自身特性,以及电镜下观察孔洞的一致性和厚度的一致性等表观一致性。隔膜的一致性越高对其他方面的性能都有好处。

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