简析2012年锂电池隔离膜技术发展现况.pdf

IEK 產業情報網 簡析 2012 年鋰電池隔離膜技術發展現況 呂學隆 一、隔離膜作為安全性防線，須兼具多重技術要求 隔離膜在電池中介於正極與負極之間，扮演支撐兩極之間重要的橋樑，此外對於電 池安全性的提升，隔離膜需扮演熱阻斷的功能。當電池異常升溫時，隔離膜因為受熱產 生些微熱熔融，使得原本的微小孔隙被填滿，因此提高阻抗而最終截斷電流，避免電池 溫度持續升高，引起燃燒或爆炸。因此鋰電池隔離膜的產品評估指標，可說源於下游之 電池安全性需求特性，衍生出隔離膜的產品需求及相關產品評估指標。 資料來源：廈門大學、工研院 IEK 整理(2012/08) 圖一 鋰電池內部短路演生安全性問題機制 隔離膜的優劣將影響到電池電容量的多寡、電池壽命長短與電池的安全性。因此需 要符合多種的功能需求：隔離膜必須是電子絕緣材質，能將正負極隔開而不導電，保證 正、負極的有效隔離；有一定的孔徑和孔隙率，具有較佳之離子導通性，使得電池在充 2012/12 1 IEK 產業情報網 放電過程中離子能穿梭自如，產生穩定電流，保證低的電阻和高的離子電導率；由於電 解質的溶劑為強極性的有機化合物，因此隔離膜必須耐電解液腐蝕，具備足夠的化學和 電化學穩定性；能在電池電解液中不被溶解，並長時間浸泡；高機械強度，在電池組裝 過程中隔離膜能夠承受機械張力拉扯，不產生破裂；尺寸安定性，溫度升高後不會大幅 度的收縮變形，引發正負極短路，具有足夠的穿刺強度、拉伸強度等，但厚度盡可能縮 小；與電解液的潤濕性，電解液能完全填滿隔離膜的孔洞，具有足夠的吸液保濕能力。 同時會考量到成本、熱穩定性和自動關斷保護性能。 好的隔離膜產品除了要符合上述基本特性之外，產品品質的要求同樣重要，對於隔 離膜的厚度均勻度，孔隙均勻度等需維持均一，才能使電池在充放電過程中穩定運作。 不良的隔離膜如孔徑不平均分佈容易造成電流集中，鋰離子在氧化還原過程中慢慢聚 集，並堆積成晶狀物，導致隔膜穿孔破裂或局部過熱等問題。通常為了要求隔離膜之產 品品質，在規格中必須呈現 Gurley 值、孔隙度、耐穿刺強度等指標。 Gurley 值是常用來表示隔離膜的浸透性的數據，隱含了隔離膜的空孔率、空孔直徑 與厚度等關係。即一定體積的氣體，在一定壓力條件下通過 1 平方英寸面積的隔離膜所 需要的時間。常用的氣體體積量一般為 50ml 或者 100ml 。透氣率從一定意義上來講，和 用此隔離膜裝配的電池的內阻成正比，透過 Gurley 值能快速且簡便的了解隔離膜的開孔 情況，Gurley 值低顯示氣體透過速度很快，離子導通速度也快；Gurley 數值過高，表示 隔離膜開孔率不佳，或是呈現閉孔狀態；適當的調整 Gurley 值，能控制電池充放電過程 中離子的擴散速度，得到電池所需之電流特性 。目前市面上的隔離膜，其JIS 測定之 Gurley 值約在 200-800 秒/100 c.c.之間。 孔隙度是隔離膜另一關鍵規格，一般孔隙度控制在 30-50%之間，顯示隔離膜中具有 高開孔率，鋰離子容易穿梭在其中，因而具有高的離子導通性。在高孔隙度下還要考量 到空孔的尺寸範圍，一般濕式製程孔洞大小控制在 0.01μm-0.1μm ；乾式製程孔徑在 0.1~0.3um 。當隔膜的孔徑大，容易造成電流量過大。而孔徑分佈不均，鋰離子容易沿孔 徑大(低阻抗)的區域傳遞，造成局部電流過多，而產生過熱問題。 耐穿刺強度是評估隔離膜安全性指標之一，電池在組裝過程中必須承受正負極的擠 壓；電池生產時受限於電極表面塗覆不夠平整、電極邊緣出現毛刺等情況，以及裝配過 程中技術水準有限等因素，有可能對隔離膜產生穿刺作用；或充放電過程中，鋰金屬堆 積產生晶狀物；或是其他異物被導入時，都可能將隔離膜穿刺破裂