鋰離子電池隔膜進行穿透與拉伸試驗

本文介紹了HS-3000A-S電子萬能試驗機，配合恒溫箱，對鋰電池隔離膜進行穿刺與拉伸試驗測試其強度。通過這項研究，我們能夠評估在生產(chǎn)和使用過程中，隔離膜在不同溫度下的強度特性。

關(guān)鍵詞：鋰電池 隔膜 拉伸強度 穿刺 拉伸

鋰離子二次電池又稱充電電池（以下簡稱鋰離子電池），因 其能量密度高、電池電壓高等優(yōu)點，被廣泛用作信息終端和消費電子等領(lǐng)域的能源。最近，它們越來越多地傳播到一般家庭應用領(lǐng)域，包括混合電動汽車，而且很明顯，未來的需求將進一步增加。 由于鋰離子電池有時會因短路、過充放電、沖擊等原因變得不穩(wěn)定，因此在電池組件層面上加入了多種保護機制，以確保安全由 于鋰離子電池重量輕、體積小。

在這些組成部分中，鋰離子電池隔離膜防止正極和負極之間的接觸，同時起到允許鋰離子通過的間隔物的作用。并且，它還 具有防止短路時由于電流過大而導致電池溫度升高的功能。由于鋰離子電池隔離膜放置位置，使其與正負極粗糙表面接觸，因此需要較高的機械強度。這種機械強度必須保持穩(wěn)定，即使溫度有一些上升（這在某種程度上是常見的），例如電池充電。因此，我們使用和晟HS-3000A-S電子萬能試驗機與恒溫箱配合，在不同溫度狀態(tài)下，對隔離膜進行了穿孔和拉伸測試，以評估強度隨溫度變化的情況。

1、實驗設備

1.1 儀器 HS-3000A-S 電子萬能實驗機 恒溫箱

1.2 分析條件

• 試驗類型：穿刺/拉伸試驗
• 負荷傳感器容量：100N
• 試驗力精度：顯示值的 ±0.5%
• 試驗速度：50mm/min
• 試驗溫度：25℃ /60℃ /90℃
• 夾具：50N 氣動夾具（平面齒0.4Mpa）

2、 試驗方法

用于穿刺試驗的隔離膜，從兩個小型電子設備上的鋰離子電池（圓柱形）中取出，用于測試環(huán)境溫度變化對隔離膜特性的影響。

用于拉伸試驗的隔膜是從商用鋰離子電池（方形）中取出的，聚乙烯（PE）作為主要成分的樣品。進行拉伸試驗時，將每個分離樣品制成啞鈴形樣品，其方向為每個分離樣品的長度和 寬度。所有標本的總長度35mm，平行截面尺寸為10（長）×2（寬）mm。

圖 1. 拉伸試驗樣品

2.2 試驗結(jié)果

為穿刺試驗的力 - 位移曲線，表1示出了與溫度對應 的最大力和最大位移。在25°C 和 60°C下的試驗結(jié)果對比表明，最大力沒有太大的差別，但最大位移是在60°C 時更大。在60°C 和 90°C 的結(jié)果值比較最大力在 90°C處明顯減小，但最大位移值變化不明顯。綜上所述，可以判斷在60℃時，鋰離子電池分離器的強度沒有降低，盡管其延伸性能明顯增加。

圖 2. 穿刺試驗結(jié)果

表1.測量結(jié)果表

圖3 和圖4分別示出了樣品1的寬度和長度方向，應力 - 應變曲線。圖5和圖6分別示出了樣品2的寬度和長度方向，應力 - 應變曲線。表2顯示了在每個溫度下獲得的力學性能的測試值，每個樣品，寬度方向拉伸強度都比長度方向低，但一般寬度方向伸長率更大。再比較表2中的數(shù)據(jù)時，試樣的長度方向拉伸強度約為寬度方向的5 倍。此外，樣品1在長度上的斷裂應變降低了，在寬度方向上大約是長上度方向的 15倍。根據(jù)述結(jié)果，可以推測該隔離膜（樣品1）為采用長度拉伸的方法制造。試樣2的寬度方向拉伸強度約為試樣1的兩倍，斷裂應變較低。

因此，由于試樣2在長度方向上具有更大的拉伸強度和較低的斷裂應變的傾向，推測樣品2是以低的雙軸拉伸比制造的，并且在長度方向上的拉伸比大于寬度方向的拉伸比。

當比較 25° C 和 60° C下的試樣斷裂應變和拉伸強度時，盡管由于試驗溫度增加到 60° C，斷裂應變值增加了 2 倍，但拉伸強度略有下降。同樣，當與 60° C 和 90° C下的物理性能測量值相比，斷裂應變與 25° C 和 60° C 下的應變相比，表現(xiàn)出同樣的顯著增加趨勢。然而，在這種情況下，拉伸強度值出現(xiàn)顯著的降低。

圖 3.測試結(jié)果（樣品1，橫向）

圖 4.測試結(jié)果（樣品1，縱向）

圖5.測試結(jié)果（樣品2，橫向）

圖 6.測試結(jié)果（樣品2，縱向）

圖 5.測試結(jié)果（樣品2，橫向）

試驗結(jié)果

綜上所述，很明顯，本試驗中使用的鋰離子電池隔離膜在60° C 下仍保持良好的機械強度，盡管其伸長特性提高。隔離膜需要高機械強度性能，以承受電池內(nèi)溫度的變化。這里，從鋰離子電池隔膜在常溫下的穿孔和拉伸試驗結(jié)果可以清楚地看出，使用和晟HS-3000A-S電子萬能試驗機，可以可靠地評估鋰離子電池隔膜的機械性能。