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锂离子电池隔膜安全性测试方法介绍及新标准解读 关键词： 锂离子电池隔膜 ,透气性 ,穿刺力 ,热缩率 作者：济南兰光机电技术有限公司 锂离子电池通常由正极、负极、隔膜、电解液和外壳组成，锂离子通过在正负极之间不断的嵌入与脱 嵌完成了电池的充放电工作。相比传统电池，锂离子电池轻薄、容量大、内阻小、放电特性佳，已经规模 应用于小型电子产品，在电动车、储能领域成为最有竞争力的候选产品。然而，近年来锂离子电池发生爆 炸伤人的安全事故屡见不鲜，如2009 年北京一居民被正在充电的手机炸伤，再如同年销往美国的锂离子电 池在航空运输中突然自燃，险些酿成悲剧。上述种种事故使得锂离子电池的使用安全性被广泛关注。经研 究发现，锂离子电池内部短路、瞬间大电流放电极易引发爆炸，而电池隔膜是爆炸发生的导火索之一，其 性能的提升是改善锂离子电池安全性的重点研究方向。 锂离子电池隔膜作为电池的核心部件，一般以微孔薄膜材料制成，这样在隔离正负极的同时允许锂离 子在两极之间的往复通过。当锂离子流通不畅或流通过快、电池隔膜被刺穿、温度过高引起隔膜收缩较大 皆有可能造成电池内部短路引发爆炸，因此锂离子电池隔膜的透气性、耐穿刺性及热收缩性的优劣将直接 影响电池的使用与安全。 一、锂离子电池隔膜的性能 1. 透气性 锂离子电池隔膜的微孔结构虽然满足了离子通畅性的要求，但由于具体制备工艺不同（常见工艺如干 法、湿法或电纺等），微孔膜在厚度、孔径、孔隙率、孔曲折度等关键参数上多有不同，对锂离子流通的 影响也有所差异，比如较小的隔膜厚度和孔曲折度，意味着隔膜电阻相对较小，有利于锂离子的顺利通过。 另外合适的孔径、孔隙及平均的微孔分布，也可以有效防止电池正负极接触以及锂枝晶刺穿隔膜的发生。 因此，锂离子电池隔膜在研制的阶段要准确把握以上各项参数的数值。在实际工业操作中，针对上述各项 参数的测试非常复杂且不准确，通常行业采用隔膜的透气性来表征。隔膜透气性是指隔膜在一定的时间、 压力下透过的气体量，行业中习惯采用格利(Gurley)值来表示，即在1.22kPa 的压力下，测试100ml 的氧 2 [1] 气透过1 in. （平方英寸）的隔膜所用的时间。公式如下： 注：tGur 为Gurley 值，?为孔曲折度，L 为隔膜厚度，ε 为孔隙率，d 为孔径。 从公式中可以发现，电池隔膜透气性是厚度、孔曲折度、孔径、孔隙率等结构因素共同影响的结果， 在评定电池隔膜通畅性方面具有可参照性。同时，隔膜透气性的测试也相对简单，可借助透气性测试仪完 成。 2. 耐穿刺性 锂离子电池的正负极由活性物质如锰酸锂、石墨均匀涂覆在电解金属箔片上，经高温真空干燥后制得， 形成附着活性物质混合物的微小颗粒构成的凹凸不平的表面。电池隔膜位于正负极之间，持续承受电极表 面的摩擦与压力，为了防止电池短路，锂离子电池隔膜必须具备一定的机械性能。 其一为抗拉强度，是指隔膜在纯拉伸力的作用下，断裂前所能承受的最大力值与测试隔膜截面积的比 值，抗拉强度越大，隔膜在外力作用下发生的破损与断裂的几率就会降低；其二为耐穿刺性能，通常用施 加在针形物刺穿试样的最大力值作为隔膜耐穿刺性的评估指标。相较抗拉强度，隔膜的耐穿刺性更具有实 际意义，这是由于在锂离子电池使用中隔膜受穿刺的危险非常大。正常情况下正负极的凹凸平面易造成隔 膜的刺穿风险，另外当错误使用充电器或充电器故障，锂离子电池发生过冲现象的时候，正极过多的锂离 子脱嵌运动到负极，但负极嵌入不及时，锂离子便以金属锂的形式在负极表面沉积，形成树枝状结晶—— 锂枝晶，极易刺穿隔膜，发生短路。因此隔膜的耐穿刺力可作为反映隔膜装配中发生短路的趋势指标，是 锂离子电池隔膜安全性的重要指标之一。 3. 热缩性能 锂离子电池在制造和使用过程中，会时常处于热环境中：例如锂离子电池注液前一道工序是将隔膜与 极片卷绕后，在壳内挤压并一同经受12～16 小时、80℃～90℃的高温烘烤；锂离子电池出厂前还要接受 [2] 120℃的高温安全检测 ；而在使用中，正常充放电以或短路的时候，同样也会有大量的热量放出。锂离子 电池隔膜多采用聚烯烃——一种热塑性材料，受热时尺寸会发生一定收缩。根据制造工艺的不同，单向拉 伸膜由于机械方向（MD）为分子链被拉伸的方向，因此隔膜在该方向易发生收缩，此情况下的横向（TD ） 收缩一般较小。双向拉伸膜因机械方向和横向均被拉伸，都会发生细微的收缩现象。倘若隔膜的热缩率非 常大，那么隔膜对于隔离正负极的作用将被极