鋰電池隔膜匯總.課件

1、鋰電池隔膜基礎(chǔ)知識 技術(shù)部 云小芳主要內(nèi)容一、鋰離子電池隔膜簡介二、鋰離子電池對隔膜的要求三、鋰離子電池隔膜性能參數(shù)四、復(fù)合隔膜對電池性能的影響五、隔膜所使用材料六、隔膜制作工藝七、隔膜市場的現(xiàn)狀一、隔膜的簡介 具有電子絕緣性，保證正負(fù)極的機(jī)械隔離；有一定的孔徑和孔隙率，保證低的電阻和高的離子電導(dǎo)率，對鋰離子有很好的透過性；耐電解液腐蝕，電化學(xué)穩(wěn)定性好；對電解液的浸潤性好并具有足夠的吸液保濕能力；具有足夠的力學(xué)性能，包括穿刺強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度等；空間穩(wěn)定性和平整性好；熱穩(wěn)定性和自動關(guān)斷保護(hù)性能好。 鋰離子電池隔膜作用示意圖 鋰離子隔膜實(shí)物圖三、鋰離子電池對隔膜的要求具有電子絕緣性，保證正負(fù)極的機(jī)械

2、隔離；有一定的孔徑和孔隙率，保證低的電阻和高的離子電導(dǎo)率，對鋰離子有很好的透過性；耐電解液腐蝕，電化學(xué)穩(wěn)定性好；對電解液的浸潤性好并具有足夠的吸液保濕能力；具有足夠的力學(xué)性能，包括穿刺強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度等；空間穩(wěn)定性和平整性好；熱穩(wěn)定性和自動關(guān)斷保護(hù)性能好。四、鋰電池隔膜的性能參數(shù) 厚度 對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，由于人們對便攜式產(chǎn)品的使用的日益增長，更薄的隔膜，比如說 20 微米、18 微米、16 微米、甚至更薄的隔膜開始大范圍的應(yīng)用。 對于動力電池來說，由于裝配過程的機(jī)械要求，往往需要更厚的隔膜，當(dāng)然對于動力用大電池，安全

3、性也是非常重要的，而厚一些的隔膜往往同時意味著更好的安全性，EV/HEV使用的是厚度為40微米左右的隔膜。透氣率 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數(shù)值為接近 8。 Gurley 數(shù) ：一定體積的氣體，在一定壓力條件下通過一定面積的隔膜所需要的時間。與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。 單純比較兩種不同隔膜的 Gurley 數(shù)是沒有意義的，因?yàn)榭赡軆煞N隔膜的微觀結(jié)構(gòu)完全不一樣；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隔膜相對來說微觀結(jié)構(gòu)是一樣的或可比較的。

4、 浸潤度 為保證電池的內(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，這與隔膜材料本身和隔膜的表面及內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)相關(guān)。 粗略判斷：取典型電解液（如 EC：DMC=1:1，1M LiPF6），滴在隔膜表面，看是否液滴會迅速消失被隔膜吸收 。 精確判斷：用超高時間分辨的攝像機(jī)記錄從液滴接觸隔膜到液滴消失的過程，計(jì)算時間，通過時間的長短來比較兩種隔膜的浸潤度。 化學(xué)穩(wěn)定性 要求隔膜在電化學(xué)反應(yīng)中是惰性的，且對強(qiáng)還原、強(qiáng)氧化不活潑，機(jī)械強(qiáng)度不衰減，不產(chǎn)生雜質(zhì)。一般認(rèn)為，目前隔膜用材料PE或PP可滿足化學(xué)惰性要求。 孔徑 防止電極顆粒直接通過隔膜 ，要求隔膜孔徑為0.01-0.1m,小于0.01m

5、時，鋰離子穿透能力太小，大于0.1m時，電池內(nèi)部枝晶生成時電池易短路。 目前所使用的電極顆粒一般在 10 微米的量級，而所使用的導(dǎo)電添加劑則在 10 納米的量級，不過很幸運(yùn)的是一般碳黑顆粒傾向于團(tuán)聚形成大顆粒。一般來說，亞微米孔徑的隔膜足以阻止電極顆粒的直接通過，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。穿刺強(qiáng)度 穿刺強(qiáng)度：在一定的速度（每分鐘 3-5 米）下，讓一個沒有銳邊緣的直徑為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。 由于測試的時候所用的方法和實(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

6、，相對來說穿刺強(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。熱穩(wěn)定性 隔膜需要在電池使用的溫度范圍內(nèi)（-2060）保持熱穩(wěn)定。一般來說目前隔膜使用的PE或PP材料均可以滿足上述要求。 通常，真空條件下，90恒溫60分鐘，隔膜橫向縱向收縮應(yīng)小于5%。熱關(guān)閉溫度 熱關(guān)閉溫度：將模擬電池（兩平面電極中間夾一隔膜，使用通用鋰離子電池用電解液）加熱，當(dāng)內(nèi)阻提高三個數(shù)量級時的溫度。 閉孔溫度：外部短路或非正常大電流通過時產(chǎn)生的熱量使隔膜微孔閉塞時的溫度。 熔融破裂溫度：將隔膜加熱，當(dāng)溫度超過試樣熔點(diǎn)使試樣發(fā)生破裂時的溫度?？紫堵?大多數(shù)鋰離子電池隔膜孔隙率在30%-50%之間

7、?？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值無法直接比較。五、復(fù)合隔膜 此種隔膜有兩層（PP/PE）隔膜、三層(PP/PE/PP）隔膜。三層膜在溫度升高時，中部的PE在130度熔化收縮造成熱關(guān)閉，但是由于外部的PP熔化溫度為160度，隔膜還可以保持一定的安全性，因此三層膜也較適用于動力電池。目前Celgard與UBE掌握此種技術(shù)及專利權(quán)。隔膜性能對電池性能的影響 六、隔膜的使用材料 隔膜材料主要是以聚乙烯（polyethylene，PE）、聚丙烯（polypropylene，PP）為主的聚烯烴（Polyolefin）類隔膜，其中PE 產(chǎn)品主要由濕法工藝制得，PP 產(chǎn)品主要

8、由干法工藝制得。 七、隔膜制作工藝 干法工藝是將聚烯烴樹脂熔融、擠壓、吹膜制成結(jié)晶性聚合物薄膜，經(jīng)過結(jié)晶化處理、退火后，得到高度取向的多層結(jié)構(gòu)，在高溫下進(jìn)一步拉伸，將結(jié)晶界面進(jìn)行剝離，形成多孔結(jié)構(gòu)，增加薄膜的孔徑。干法工藝還可以分為單向拉伸和雙向拉伸。1、分為：干法工藝和濕法工藝熔融擠出高倍拉伸冷卻熱處理拉伸熱定型分切收卷 優(yōu)點(diǎn)：工藝相對簡單，附加值高，無環(huán)境污染。 缺點(diǎn)：1、孔徑及孔隙率較難控制 2、拉伸比較小 3、產(chǎn)品不能做得很薄 2、濕法工藝 濕法工藝又稱相分離法或熱致相分離法，將液態(tài)烴或一些小分子物質(zhì)與聚烯烴樹脂混合，加熱熔融后，形成均勻的混合物，然后降溫進(jìn)行相分離，壓制得膜片，再將膜

9、片加熱至接近熔點(diǎn)溫度，進(jìn)行雙向拉伸使分子鏈取向，最后保溫一段時間，用易揮發(fā)物質(zhì)洗脫殘留的溶劑，可制備出相互貫通的微孔膜材料。優(yōu)點(diǎn)： 隔膜孔徑范圍比較小而且均勻。 雙向拉伸強(qiáng)度高； 膜更薄缺點(diǎn)：投資大，周期長，工藝復(fù)雜環(huán)境污染干濕法工藝區(qū)別比較方法干法工藝濕法工藝工藝比較工序簡單復(fù)雜固定資產(chǎn)相對低高工藝控制難度高低產(chǎn)品比較單層膜可以可以三層膜可以不能原料PP可以不能PE可以可以原料特性流動性好、分子量低不流動、分子量高產(chǎn)品性能成本低高使用范圍小功率、低容量電池大功率、大容量電池安全性低高熱關(guān)閉溫度低（135）高（180）熱收縮性高比較低孔徑比較大納米級環(huán)境友好 污染八、隔膜市場的現(xiàn)狀 國內(nèi)由于多方面技術(shù)上的綜合差距，不能達(dá)到國外一樣的精密控制。產(chǎn)品差距主要在于厚度、強(qiáng)度、孔隙率厚度、強(qiáng)度、孔隙率等指標(biāo)不能得到整體兼顧，且量產(chǎn)批次穩(wěn)定性較差。 因此研究開發(fā)低成本、制作工藝簡單、孔徑尺寸適當(dāng)、空隙率高、機(jī)械強(qiáng)度能滿足要求的微孔聚合物隔膜對于提高電池性能和降低電池成本具有重要的實(shí)際意義。 全球主要隔膜生產(chǎn)企業(yè)產(chǎn)能分布（2010年）廠商美