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锂离子电池隔膜结构特性和隔膜理化性质介绍

2021-06-10 ryder

锂离子电池隔膜结构特性和隔膜理化性质介绍。锂离子电池的结构中,隔膜是关键的内层组件之一。隔膜采用塑料膜制成,可隔离电池正负极,以戒备出现短路;还可以在电池过热时,通过闭孔功能来阻隔电池中的电流传导。性能优异的隔膜对提高锂离子电池的综合性能具有紧要的作用。


锂离子电池隔膜的结构特性


◆厚度。锂离子电池隔膜的厚度一般≤25μm。在保证一定的机械强度的前提下,隔膜的厚度越薄越好。今朝,新型的高能电池大都采用膜厚20μm或16μm的单层隔膜。


◆孔径和分布。作为锂离子电池隔膜材料,本身具有微孔结构,容许吸纳电解液;为了保证电池中一致的电极/电解液界面性质和均一的电流密度,微孔在整个隔膜材料中的分布应该平均。孔径的大小与分布的均一性对锂离子电池性能有笔直的影响:孔径太大,容易使正负极笔直接触或易被锂枝晶刺穿而造成短路;孔径太小则会增大电阻。微孔分布不匀,工作时会形成局部电流过大,影响电池的性能。


◆孔隙率。透过性可用在一定时间和压力下通过隔膜气体的量的多少来表征,主要反映了锂离子透过隔膜的通畅性。孔隙率对膜的透过性和电解液的容纳量非常紧要。大多数商用锂电池隔膜的孔隙率在40%-50%之间。


◆透过性。一定条件下一定量空气通过隔膜所需要的时间,称作Gurly值。锂离子电池隔膜透过性的大小是隔膜孔隙率、孔径、孔的形状及孔蜿蜒度等隔膜内部孔结构综合因素影响的结果。


◆热稳定性:隔膜需要在锂离子电池使用的温度范围内(-20℃~60℃)保持热稳定。一般来说目前隔膜使用的PE或PP材料均可以满足上述要求。当然还有一个就是由于电解液对水份敏感,大多数厂家会在注液前进行80C左右的烘烤,这对PP/PE隔膜也不会存在太大的问题。


◆一致性:由于制备工艺的不同,锂离子电池隔膜一致性可能差别较大。一致性包括闭合温度等自身特性,以及电镜下观察孔洞的一致性和厚度的一致性等表观一致性。


锂离子电池隔膜理化性质


1.润湿性和润湿速度。隔膜的润湿性不好会增加隔膜和锂离子电池的电阻,影响锂离子电池的循环性能和充放电效率。隔膜的润湿速度是指电解液进入隔膜微孔的快慢,它与隔膜的表面能、孔径、孔隙率、蜿蜒度等特性有关。


2.隔膜的吸液率。由于锂离子电池隔膜材料兼具电解质的功能,所以非得具备下列条件:足够的吸液率以保证离子通道畅通无阻,而且在电池体系中,不可避免的会有大量的副反应发生,消耗大量的电解液,所以非得有足够的贮备,否则就会由于电解液的缺少引起界面电阻的增加,同时还会加速电解液的消耗,这将是恶性的循环,所以吸液率是个很紧要的隔膜参数。


3.化学稳定性。隔膜在电解液中应该保持长期的稳定性,在强氧化和强还原的条件下,不与电解液和电极物质发应。隔膜的化学稳定性是通过测定耐电解液腐蚀能力和胀缩率来评价的。


4.热稳定性。锂离子电池在充放电过程中会释放热量,尤其在短路或过充电的时候,会有大量热量放出。因此,当温度升高的时候,隔膜应该保持原来的完整性和一定的机械强度,持续起到正负电极的隔离作用,戒备短路的发生。


5.隔膜的电阻。隔膜的电阻率实际上是微孔中电解液的电阻率,它与很多因素有关,如孔隙度、孔的蜿蜒度、电解液的电导率、膜厚和电解液对隔膜材料的润湿程度等。探测隔膜电阻更常用的是交流阻抗法,由于薄膜很薄,往往存在疵点而使测量结果的误差增大,因此常常采用多层试样,再取测量的均匀值。


6.自闭性能。在一定的温度以上时,锂离子电池内的组分将发生放热反应而导致“自热”,另外由于充电器失灵、安全电流失灵等将导致过度充电或者电池外部短路时,这些情况都会萌生大量的热量。由于聚烯烃材料的热塑性质,当温度接近聚合物熔点时,多孔的离子传导的聚合物膜会变成无孔的绝缘层,微孔闭合而萌生自封闭现象,从而阻断离子的持续传输而形成断路,起到保护电池的作用,因此聚烯烃隔膜能够为电池提供额外的保护。


隔膜的主要作用是使锂离子电池的正、负极分隔开来,戒备两极接触而短路,此外还具有能使电解质离子通过的功能。据知道,隔膜的优异与否笔直影响锂离子电池的容量、循环能力以及安全性能等特性,性能优异的隔膜对提高电池的综合性能具有紧要的作用。

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