深度：常见锂电池隔膜失效分解

锂电池主要由正、负极极片和隔膜、电解液、外壳和正负极端子组成，其中隔膜在锂电池的内部起到了至关紧要的作用。在锂电池的内部，隔膜不仅要避免正负极之间接触，达到电子绝缘的效果，还要保持一定的孔隙率准许电解液中的离子穿过隔膜，在正负极之间往复运动。在满足上述的基本要求的同时，隔膜还要达到安全性的要求，例如在充放电循环过程中在负极的表面会形成锂枝晶，尖锐的锂枝晶发展到一定的程度可能会穿透隔膜导致正负极之间发生短路，释放大量的热，从而引发锂电池的热失控，导致严重的安全事故。或者在电池发生挤压针刺的过程中，由于局部短路点释放出大量的热，导致隔膜发生热收缩，导致大面积的正负极接触，笔直引起电池起火爆炸，因此隔膜对锂电池的性能和安全性都有着紧要的影响。

为了满足锂电池隔膜对性能和安全性方面的要求，人们开发出了多种复合隔膜，例如PP-PE-PP三层复合隔膜，在电池温度高于130℃时，中间层的PE层会发生熔化，而两侧的PP隔膜熔点较高，起到支撑作用，熔化的PE堵塞PP隔膜上的孔隙，从而达到阻断放电的作用。再如陶瓷涂层隔膜，在一般隔膜的基体上涂布Al2O3等无机氧化物，在高温时对隔膜起到支撑作用，减少隔膜收缩，从而提高锂电池的安全性。

近日，麻省理工学院的XiaoweiZhang等人对多种不同工艺和结构的隔膜进行了机械性能的研究，分解了导致隔膜失效的机械参数。这些隔膜蕴含了干法工艺制备的PE隔膜和三层复合隔膜，湿法工艺制备的陶瓷涂层隔膜，以及无纺布工艺制备的隔膜，这基本上涵盖了目前市场时常见的隔膜类型。试验主要探测了上述几种隔膜在纵向（MD）、横向（TD）和对角线方向（DD）的单向拉伸强度，厚度压缩试验和轴向穿刺试验，这些试验揭示各种隔膜的失效机械参数。XiaoweiZhang等人依据上述结果建立了一个PE隔膜的有限元模型，准确的预测了PE隔膜在单向拉伸试验和厚度压缩实验中的PE隔膜的反馈结果。

详尽试验过程如下，首先将参与探测的隔膜材料依据ASTM针对薄膜材料的D882规范的要求，制成了具有规矩形状的长条形试样，拉伸试验采用Instron5944单向拉力机进行探测，拉力加载速度为25mm/min。探测结果发现，干法工艺制备的PE隔膜和三层复合隔膜在各个方向的抗拉强度上有很大的差距，例如在纵向MD上，抗拉强度>120MPa，在横向TD和对角线方向上仅>20MPa。而湿法工艺制备的隔膜在各个方向上具有相近的抗拉强度（>140MPa），而无纺布工艺制备的隔膜的抗拉强度最差（<35MPa），无纺布隔膜在纵向和横向具有相近的强度，但是对角线方向抗拉强度要分明弱很多。

为了探测隔膜的厚度压缩性能，XiaoweiZhang将隔膜卷绕成具有40层的圆柱形结构，直径为16mm，首先给卷芯采用0.5MPa进行加压，确保隔膜层间没有间隙，然后逐渐增加压力直到100MPa。经过上述加压试验后，干法工艺制备的PE和三层复合隔膜在轴向上变形成椭圆，但是湿法陶瓷涂层隔膜和无纺布工艺隔膜则依然在探测后保持了圆形结构，这主要是由于干法隔膜各向异性较大，而湿法隔膜和无纺布隔膜各个方向上抗拉强度近似造成的。对隔膜卷芯的应变探测也发现，在压力加载的过程中干法工艺制备的PE和三层复合隔膜在20MPa左右存在一个分明的屈服点，而且应变也大于湿法工艺隔膜和无纺布工艺隔膜，后者在探测中未出现分明的屈服点。

穿刺强度试验发现，干法工艺制备的PE隔膜和三层复合隔膜会在沿着纵向的方向上出现一个较长的裂缝，而对于湿法工艺和无纺布工艺隔膜，失效多数只出今朝局部，并且呈现圆形破口。

该项研究向我们展示了今朝市场上主要隔膜种类在单向抗拉强度、厚度压缩和穿刺强度，以及在失效模式上的区别。研究发现，干法工艺制备的PE和三层复合隔膜在各个方向上的抗拉强度存在很大的差异，纵向MD抗拉强度远大于横向TD抗拉强度，而湿法工艺制备的隔膜在各个方向上具有相近的抗拉强度，并且高于其他类型的隔膜，在厚度压缩试验中由于干法隔膜各项异性很大，从而导致隔膜卷芯塑性变形较大，而在穿刺试验中湿法隔膜也展现出了最高的穿刺强度，并且只出现了局部的圆形破口，而PE隔膜则出现了长条形的裂缝。

参考文献

Deformationandfailurecharacteristicsoffourtypesoflithium-ionbatteryseparators，JournalofPowerSource，327(2016)，XiaoweiZhang，et.al

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