鋰電池包作為由多個(gè)的單體鋰電池通過(guò)并聯(lián)和串聯(lián)的方式組合而成的鋰電池集合體。要談及鋰電池包隔膜材料的作用可以從鋰電池隔膜材料的作用來(lái)談起。所以本文主要的內(nèi)容為鋰電池隔膜材料的作用以及隔膜對(duì)鋰電池的影響。
隔膜是鋰電池的結(jié)構(gòu)中最關(guān)鍵的內(nèi)層組件之一。隔膜的主要作用是將正負(fù)極片隔開(kāi)防止電池短路同時(shí)保證充放電時(shí)離子的正常通過(guò)保證電池的正常工作的作用。其性能的好壞直接影響電池的容量、倍率、壽命以及安全等性能。具體是如何影響的呢？
鋰電池包隔膜的作用
鋰電池的主要組成結(jié)構(gòu)為正負(fù)極，隔膜，有機(jī)電解液和電池外殼。在這些結(jié)構(gòu)之中，隔膜是關(guān)鍵的內(nèi)層組件之一。
隔膜主要起兩個(gè)作用。第一個(gè)作用是作為絕緣層，絕緣層的存在能有效的防止因正負(fù)電極相接觸而導(dǎo)致的鋰電池內(nèi)部的短路。
第二個(gè)作用是作為半透層，半透層可以阻止體積較大的分子通過(guò)，允許小體積的帶電離子通過(guò)，這樣可以提高正負(fù)電極附近的濃度差，有利于離子的擴(kuò)散，從而提高鋰電池的存儲(chǔ)效率。
隔膜除了對(duì)鋰電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)有用處，對(duì)于外部的物理反應(yīng)也有用處。比如說(shuō)當(dāng)鋰電池受到外部硬物的擠壓，穿刺時(shí)，相當(dāng)于為鋰電池多上了一層保險(xiǎn)。通常情況下能保障鋰電池包受到外物沖擊時(shí)僅僅會(huì)脹氣而不是直接發(fā)生爆炸。
隔膜對(duì)鋰電池的影響
對(duì)電壓的影響
隔膜厚度較薄，離子遷移的通道較短，極化現(xiàn)象就會(huì)有一定消弱，鋰電池的低溫電壓平臺(tái)相對(duì)就會(huì)較高。隔膜孔洞過(guò)大會(huì)加快鋰電池的自放電過(guò)程，從而降低電池的電壓一致性。
對(duì)安全性的影響
厚一些的隔膜在鋰電池受到外物沖擊的時(shí)候，能夠更好的保障內(nèi)部的正負(fù)極的隔離，所以厚一些的隔膜同時(shí)意味著更好的安全性。
由于鋰電池在持續(xù)的使用過(guò)程中溫度會(huì)升高，所以隔膜一般有能夠提供一個(gè)熱關(guān)閉的附加功能。當(dāng)鋰電池包內(nèi)內(nèi)阻提高三個(gè)數(shù)量級(jí)時(shí)，隔膜的熱關(guān)閉功能將會(huì)開(kāi)始作用。
對(duì)內(nèi)阻的影響
隔膜的透氣率和裝配其的鋰電池的內(nèi)阻成正比，即隔膜的透氣率越高，鋰電池的內(nèi)阻就會(huì)越大。
隔膜能否被鋰電池所用的電解液完全浸潤(rùn)也會(huì)影響電池的內(nèi)阻。電解液的浸潤(rùn)度與隔膜材料本身有關(guān)也與其內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)相關(guān)。
表1：一部分隔膜性能與電池性能的相關(guān)性比較
厚度
厚度與內(nèi)阻有關(guān)，越薄內(nèi)阻越小，從而實(shí)現(xiàn)大功率充放電。在一定的機(jī)械強(qiáng)度下盡可能小，越厚穿刺強(qiáng)度越好。對(duì)于消耗型鋰離子電池，一般將25μm作為隔膜厚度的標(biāo)準(zhǔn)。但是便攜式產(chǎn)品的需求日益增長(zhǎng)的形式下，16μm甚至更薄的隔膜開(kāi)始大范圍應(yīng)用。對(duì)于動(dòng)力電池來(lái)說(shuō)，裝配過(guò)程中的機(jī)械要求，使得所需隔膜更厚一些，而且對(duì)于動(dòng)力電池來(lái)說(shuō)安全性能非常重要，而厚一些的隔膜意味著更好的安全性。
隔膜厚度的均勻性是一個(gè)特別重要的質(zhì)量指標(biāo)，它直接影響隔膜卷的外觀質(zhì)量以致內(nèi)在性能，生產(chǎn)過(guò)程中必須嚴(yán)格把控。在自動(dòng)化程度很高的隔膜生產(chǎn)線上，隔膜厚度都是采用精度很高的在線非接觸式測(cè)厚儀及快速反饋控制系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)和控制的。隔膜的厚度均勻性包括縱向厚度均勻性和橫向厚度均勻性，其中橫向厚度均勻性尤為重要，一般均要求控制在±1微米以內(nèi)。
孔徑
鋰電池隔膜材料本身具有微孔結(jié)構(gòu)，微孔在整個(gè)隔膜材料中的分布應(yīng)當(dāng)均勻。目前所使用的電極顆粒一般在10微米的量級(jí)，孔徑一般在0.03-0.12um?？讖教?huì)增加電阻，孔徑太大容易使正負(fù)極接觸或被枝晶刺穿短路。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。
孔隙率
孔隙率是單體膜的體積中孔的體積百分率，它與原料樹(shù)脂及膜的密度有關(guān)?？紫堵实拇笮『蛢?nèi)阻有一定的關(guān)系，但不同種隔膜之間的空隙率的絕對(duì)值無(wú)法直接比較。現(xiàn)有鋰離子電池隔膜的孔隙率在40%-50%之間。
透氣阻力
理論上來(lái)說(shuō)，隔膜不是電池的必要組成部分，是未來(lái)滿足工業(yè)化生產(chǎn)才加入的，所以隔膜需要滿足一個(gè)很重要的性能：不能惡化電池的電化學(xué)性能，主要表現(xiàn)在內(nèi)阻上。用兩個(gè)參數(shù)評(píng)價(jià)這一性能：
MacMullin數(shù)：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。此數(shù)值越小越好，消耗型鋰離子電池的這個(gè)數(shù)值為8左右。
Gurley數(shù)：一定體積的氣體，在一定壓力條件下通過(guò)一定面積的隔膜所需要的時(shí)間。與隔膜裝配的電池的內(nèi)阻成正比，即該數(shù)值越大內(nèi)阻越大。不過(guò)單純比較兩種不同隔膜的Gurley數(shù)是沒(méi)有意義的，因?yàn)樗鼈兊奈⒂^結(jié)構(gòu)可能完全不一樣，但是同一種隔膜的Gurley數(shù)的大小可以很好的反應(yīng)內(nèi)阻的大小。
溫度
閉孔溫度：電池內(nèi)部發(fā)生放熱反應(yīng)自熱、過(guò)充或者電池外部短路時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，造成微孔閉合，從而阻斷離子的繼續(xù)傳輸而形成斷路，起到保護(hù)電池的作用，微孔閉合時(shí)的溫度就是閉孔溫度。但對(duì)于小電池，熱關(guān)閉機(jī)制所起的作用很有限。一般PE為130-140℃，PP為150℃。閉孔溫度低一些比較好。
破膜溫度是指電池內(nèi)部自熱，外部短路使電池內(nèi)部溫度升高，超過(guò)閉合溫度后微孔閉塞阻斷電流通過(guò)，熱熔性能溫度進(jìn)一步上升，造成隔膜破裂、電池短路。破裂時(shí)的溫度即為破膜溫度。破膜溫度高一些比較好。
穿刺強(qiáng)度
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。足夠的穿刺強(qiáng)度可以防止鋰枝晶、極片毛刺刺穿隔膜造成短路，抗穿刺強(qiáng)度值一般在300-500g。但是測(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。
機(jī)械強(qiáng)度
機(jī)械強(qiáng)度主要是指隔膜的拉伸強(qiáng)度，足夠的拉伸強(qiáng)度可以防止隔膜變形。隔膜的拉伸強(qiáng)度與制膜的工藝有關(guān)。采用單軸拉伸，隔膜在拉伸方向上與垂直方向強(qiáng)度不同；而采用雙軸拉伸時(shí)，隔膜在兩個(gè)方向上一致性會(huì)相近。一般拉伸強(qiáng)度主要是指縱向強(qiáng)度要達(dá)到100MP以上，橫向強(qiáng)度不能太大，過(guò)大會(huì)導(dǎo)致橫向收縮率增大，這種收縮會(huì)加大鋰電池廠家正、負(fù)極接觸的幾率。
浸潤(rùn)性
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)。浸潤(rùn)度一方面跟隔膜材料本身相關(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)。較好的浸潤(rùn)性有利于提高隔膜與電解液的親和性，擴(kuò)大隔膜與電解液的接觸面，從而增加離子導(dǎo)電性，提高電池的充放電性能和容量。浸潤(rùn)性可通過(guò)測(cè)定其吸液率和持液率來(lái)衡量。
一致性
由于制備工藝的不同，隔膜一致性可能差別較大。一致性包括閉合溫度等自身特性，以及電鏡下觀察孔洞的一致性和厚度的一致性等表觀一致性。隔膜的一致性越高對(duì)其他方面的性能都有好處。