PE隔膜3层复合隔膜无纺布隔膜陶瓷涂层隔膜机能比拟-片头模版

以聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）为代表的聚烯烃微孔膜具有精良的力学性能，化学稳定性和相对廉价的特点。
与聚烯烃隔膜比较，无纺布隔膜具有更好的浸润性和更大的孔隙率，但是孔分布不屈均，抗机器拉伸强度差。
陶瓷涂层隔膜由于涂覆无机氧化物涂层使隔膜孔径变得眇小均一，改进了隔膜的热稳定性和机器强度，进而提高了电池的性能。

本研究以锂离子电池隔膜为研究工具，磋商不同工艺与构造的隔膜拉伸强度和穿刺强度等机器性能，剖析导致隔膜失落效的缘故原由。

1 实验部分

1.1 质料与仪器

PE隔膜、３层聚烯烃隔膜、无纺布隔膜、陶瓷涂层隔膜。
单向拉力机；穿刺力测试仪；电池充放电测试柜；聚焦离子束显微镜。

1.2 机器强度测试

隔膜的机器应力是影响其运用的一个主要成分，如果隔膜分裂，锂离子电池就会发生短路，降落成品率，因此哀求隔膜在电池组装和充放电过程中，须要具有一定的机器强度。
隔膜的机器强度可用拉伸强度和抗穿刺强度来评价。
采取单向拉力机测试隔膜的纵向拉伸强度；采取穿刺力测试仪测试隔膜的轴向耐穿刺强度。

1.3 电池循环性能测试

隔膜的性能决定电池的界面构造和内阻，进而影响电池的容量、循环性能、充放电电流密度等关键特性。
将不同隔膜组装成锂离子电池，采取电池充放电测试柜测试电池的循环充放电性能。

2 结果与谈论

2.1 隔膜拉伸强度

隔膜的拉伸强度与隔膜的制作工艺有关。
采取单轴拉伸时，膜在拉伸方向与垂直方向的强度不同；而采取双轴拉伸时，隔膜在拉伸方向与垂直方向的强度靠近。
拉伸强度紧张是指纵向强度要达到100Mpa以上，横向强度不能太大，太大会导致横向紧缩率增大，这种紧缩会加大电池正负极打仗的几率。

根据标准 ASTM D882—2018将隔膜制发展条形试样，总长60ｍｍ，标距段长35ｍ，按宽度分为10ｍｍ、20ｍｍ、30ｍｍ和40ｍｍ四组。
在单向拉力机上完成拉伸试验，拉力加载速率为 25ｍｍ/min。
不同隔膜的纵向拉伸强度见图1。

由图可知，随着隔膜宽度的增加，为保持固定的拉伸速率，拉伸强度随之增加。
3层聚烯烃隔膜拉伸强度最大，其宽度为10ｍｍ时，拉伸强度为2.6Mpa；无纺布隔膜的拉伸强度最小，隔膜宽度为10ｍｍ时，拉伸强度为0.6Mpa，拉伸强度仅为3层聚烯烃隔膜的1/4旁边。

2.2 隔膜抗穿刺强度

隔膜被夹在凹凸不平的正负极片间，须要承受很大的压力。
为防止锂离子电池正负极打仗造成短路，隔膜必须具备较强的抗穿刺性能。

将内径32ｍｍ的穿刺夹具安装在穿刺力测试仪上，选取直径分别为3.175ｍｍ、6.35ｍｍ、12.6ｍｍ和25.4ｍｍ四种穿刺头。
参照GB/T 21302—2007进行隔膜抗穿刺强度试验，不同隔膜的抗穿刺强度见图2。

由图可知：随着穿刺头直径的增加，为担保相同的穿刺速率，加载载荷（抗穿刺强度）随之增加；PE隔膜耐穿刺性能最佳，穿刺头直径为3.175ｍｍ，其抗穿刺强度为20N；与3层聚烯烃隔膜比较，陶瓷涂层隔膜由于具有无机氧化物涂覆层，提升了隔膜的耐穿刺性能，穿刺头直径为3.175ｍｍ，其抗穿刺强度为17N；无纺布隔膜耐穿刺强度最差，穿刺头直径为3.175ｍｍ，其抗穿刺强度仅为2.8N。

2.3 电池的循环性能

循环性能是电池寿命的紧张指标，一样平常通过一定循环次数下的电池性能保持情形进行评价。
鉴于PE隔膜和陶瓷涂层隔膜具有优秀的机器性能，用2种隔膜分别组装成锂离子电池，电池正极为三元材料，负极为中间相炭微球，对组装后的锂离子电池循环充放电性能进行测试，结果见图3。

由图3（a）可以看出：室温条件下，在充放电倍率为1C/1C，电池容量为10Ah条件下，经由900次充放电循环，用陶瓷涂层隔膜和PE隔膜分别组装的锂离子电池均显示出良好的循环性能，放电容量保持率分别达到92.1％和86.4％。

从图3（ｂ）和图3（ｃ）可以看出：55℃高温条件下，在充放电倍率为1C/1C，电池容量分别为10Ah和15Ah条件下，与PE隔膜比较，用陶瓷涂层隔膜组装的锂离子电池的容量保持得更好，低落较慢。
这可能是由于陶瓷涂层隔膜在普通PE隔膜的基体上涂布无机氧化物，在高温时无机氧化物对隔膜起到支撑浸染，减少了隔膜紧缩，对提高锂离子电池的安全性起到积极浸染。
用陶瓷涂层隔膜组装的电池在55℃高温条件下，经由300次循环后锂离子电池的放电容量保持率分别为76.5％和83.9％。

从图3（ｄ）看出：室温条件下，在充放电倍率为1C/1C，电池容量为20Ah条件下，经由1000次充放电循环，用陶瓷涂层隔膜组装的锂离子电池具有更好的安全性能和循环性能，这可能是由于陶瓷涂层隔膜机器强度更高，对提高锂离子电池的安全性起到积极浸染。
因此在循环次数较长的条件下，有利于提高锂离子电池的高温和室温放电性能。

2.4 FIB-SEM剖析

采取聚焦离子束显微镜对PE基膜上涂覆无机氧化物的陶瓷涂层隔膜进行描述不雅观察，其 FIB-SEM图见图4。
从PE基膜表面可以看到明显的三维纤维状构造［见图4（ａ）］，表明该基膜采取湿法工艺制备。
涂覆的氧化物颗粒均一地分布在PE基膜表面，且涂层薄厚均匀，与PE基膜结合良好［见图4（ｂ）］所示；氧化物颗粒间存在孔径大小不同的空洞［见图4（ｃ）］，这些空隙有利于锂离子的嵌入和脱出，且对电解液具有很好的吸液性和保湿性能，可改进锂离子电池在充放电过程中电池内部电流的分布均匀性，显著提高长期充放电循环时锂离子电池的容量保持率。

3 结论

（1）隔膜的工艺和构造不同，材料机器性能相差较大：3层聚烯烃隔膜拉伸强度最大，隔膜宽度为10ｍｍ时，拉伸强度为2.6Mpa；无纺布隔膜的拉伸强度最小，隔膜宽度为10ｍｍ时，拉伸强度为0.6Mpa；PE隔膜耐穿刺性能最佳，穿刺头直径为3.175ｍｍ，其抗穿刺强度为20N；与3层聚烯烃隔膜比较，陶瓷涂层隔膜具有无机氧化物涂覆层，提升了隔膜的耐穿刺性能。

（2）陶瓷涂层隔膜是在普通PE隔膜的基体上涂覆无机氧化物，在高温时无机氧化物对隔膜起到支撑浸染，减少了隔膜紧缩，对提高锂离子电池的安全性起到积极浸染。
此外，氧化物颗粒间存在着孔径大小不同的空洞，这些空隙有利于锂离子的嵌入和脱出，且对电解液具有很好的吸液性和保湿性能，可改进锂离子电池在充放电过程中电池内部电流的分布均匀性，从而提高锂离子电池的充放电性能。
在室温、充放电倍率为1C/1C、电池容量为20Ah条件下，经由1000次充放电循环，陶瓷涂层隔膜组装的电池放电容量保持率达到67.3％。

文献参考：胡利芬.不同锂离子电池隔膜性能研究[J].化工新型材料,2021,49(S01):133-135145

文章来源：电池技能TOP+

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