第3篇-锂离子电池隔膜的技术和产业发展..docVIP

锂离子电池隔膜的技术和产业发展 徐绍魁 张伟明 运新华 江承忠 赵春保 李建龙 (上海联乐化工科技有限公司，上海 200540) 摘要：对锂离子电池隔膜的功能、机理、原料和性能参数等方面作了详细介绍。分析并对比了目前主流的锂电池隔膜生产工艺 1.1锂离子电池隔膜的功能和机理 锂离子电池隔膜的功能有[1]： ①在电池内部将正、负极分隔开来，防止接触造成短路； ②有良好的离子通过能力； ③有保持电解液的能力； ④有一定的保护电池安全的能力。 隔膜中具有大量曲折贯通的微孔，电解液中的离子载体可以在微孔中自由通过，在正负极之间迁移形成电池内部导电回路，而电子则通过外部回路在正负电极之间迁移形成电流，供用电设备利用。 1.2锂离子电池隔膜的主要原料 隔膜使用的聚烯烃材料主要是聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)两类。聚烯烃材料具有强度高、耐酸碱腐蚀性好、防水、耐化学试剂、生物相容性好、无毒性等优点，在众多领域得到了广泛的应用。当前，商品化的液态锂离子电池大多使用微孔聚烯烃隔膜，因为聚烯烃化合物在合理的成本范围内可以提供良好的机械性能和化学稳定性，而且具有高温自闭性能，更加确保了锂离子二次电池在日常使用上的安全性。以日本旭化成公司为例[4~5]，该公司采用三元体系生产的大孔径薄膜，其组分为：聚烯烃含量20~50%，增塑剂30~60%，二氧化硅10~40%。在聚烯烃中包含HDPE(M=28~50万)、LLDPE(M=10~30万)和UHMWPE(M=200~230万)。在聚烯烃中，三种聚乙烯的含量均控制在10~50%，例如其中一份专利给出50% ：40% ：10%的质量组成比例。 1.3锂离子电池隔膜的性能参数 锂离子电池隔膜的主要性能参数[6]有：厚度、孔隙率、孔径及分布、透气度、吸液率、抗穿刺强度、热收缩率、闭孔及破膜温度等。 1.3.1厚度 在同样大小的电池中，隔膜厚度越厚，能卷绕的层数就越少，相应容量也就会降低；但是另一方面，较厚的产品，抵抗穿刺的性能会稍高，安全性会高一些，同时同样孔隙率的情况下，越厚的产品，其透气率会稍差，使得电池的内阻会高一点。所以在考虑电池隔膜厚度的时候需要在容量指标和安全性之间寻找一个平衡。，动力锂电池隔膜。 1.3.2孔隙率 孔隙率是材料中孔隙体积占总体积的比例，反映隔膜内部微孔体积占比多少。孔隙率的大小影响电池的内阻，但不同种隔膜之间的隙率的绝对值无法直接比较。孔隙率较大锂离子通过，但是孔隙率过大则影响机械强度和闭孔性能目前商用隔膜孔隙率一般在40%~60%之间。锂电池隔膜上面要求有微孔，便于锂离子通过。从现有的工艺水平来看，湿法隔膜的孔径在0.01~0.1um，干法隔膜的孔径在 0.1~0.3um，总体来看，隔膜的孔径直接影响电池的内阻和短路率。 Gurley数是没有意义的，因为可能两种隔膜的微观结构完全不一样；但同一种隔膜的Gurley数的大小能很好的反应出内阻的大小，因为同一种隔膜相对来说微观结构是一样的。干法隔膜典型的透气度在300~400秒/100ml。 1.3.5吸液率 吸液率反映隔膜吸收电解液的能力，是衡量隔膜与电解液相容性的指标，影响锂电池的内阻和容量直观来看，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，但是目前这方面没有一个公认的检测标准。当前市场上通用的衡量标准是：取一定面积的隔膜完全浸泡在电解液中，看隔膜吸收电解液的重量（常用单位是g/m2）同样厚度的隔膜，吸收的重量越大，浸润效果越好。浸润度一方面与隔膜材料本身有关，还与隔膜的表面及内部微观结构密切相关，另一方面与电解液的配方也有很大关系。 穿刺强度反映隔膜抗外力穿刺的能力，影响电池的短路率和安全性在微结构一定的情况下，相对来说穿刺强度高的，其装配不良率低。但是单纯追求高穿刺强度，也必然导致隔膜的其他性能下降。一般对产品都会做穿刺实验验证隔膜的可靠性对于湿法工艺一般要求穿刺强度大于300g/20um。 (纵/横向)的测试方法是隔膜在一定方向上、通过拉伸夹具以一定的试验速度拉伸直至断裂所表现出的承载能力。对于湿法工艺一般要求强度大于00kg/cm2。 -20~60℃）保持尺寸稳定外，还有一个就是在电池生产过程中由于电解液对水份非常敏感，大多数厂家会在注液前进行85~90℃的长时间烘烤，所以要求在这个温度下隔膜的尺寸也应该稳定，否则会造成电池在烘烤时，隔膜收缩过大，极片外露造成短路；另外在电池使用过程中也有可能遇到电池内部由于电化学反应产生高温导致隔膜收缩，因此设计电芯采用隔膜的宽度时应当准确了解和要求隔膜的横向收缩率。以湿法隔膜为例，一般要求90℃条件下加热2小时条件下，纵向5.0%，横向3.0%。 自动关断保护性能是锂离子电池隔膜的一种安全保护性能，是锂离子电池内部防止由于短路、过充等原因造成温度失控