不同工艺制备的锂离子电池用隔膜的热性能

张羽标

（广东 深圳 518000）

在锂离子电池应用中，隔膜基本上都是多孔薄膜材料，其主要作用是对正负极进行隔离，避免出现短路状况。就目前来说，市场是锂离子电池隔膜，根据制作工艺可以分为：干法单向拉伸、干法双向拉伸、湿法（热致相分离、静电纺丝（电纺）等。不同制作工艺隔膜的机械应力各不相同，并且隔热性能也不同。

1 探究实验

1.1 实验材料

主要的实验材料见表1。

1.2 实验步骤分析

在实验中，要及时地对样本隔膜的外观、孔隙率、热收缩率、透气性等一些基础情况进行了解，按照相关要求将隔膜制作成为样本隔膜，把这些样本隔膜放置到恒温箱中开始热处理，完成以后对样本隔膜的各项性能进行测试。在此实验中，热处理温度分别设定为：80 ℃、85 ℃、90 ℃、95 ℃，热处理持续时长为：1 h、2 h、4 h、20 h。在热处理完成以后，应该及时将隔膜片平铺在隔膜上，使用各项设备对隔膜表面的静电、熔点等进行测量，并且还要观察是否存在缺陷。孔隙率的计算方式是采用称重体积方式计算体积、密度，进而计算出孔隙率。收缩率的计算方式为：将隔膜制作成为长度为1m的长条，将设备作为基线测试点，放置在鼓风机上，恒温数小时以后计算其长度，进而可以得出收缩率。热处理完成以后，可以将隔膜全部浸入电解液1 mol/L LiPF6/EC+PC+DMC中，体积比为1∶1∶1，隔膜在电解液浸泡2 h以后，可以将隔膜安装在2块惰性不锈钢电极中，采用交流阻抗对隔膜离子电阻R进行分析。

2 实验结果分析讨论

2.1 隔膜的外观特征

隔膜热处理完成以后，主要外观特征见表2。

表2 隔膜的外观对比分析

在表2中，温度达到90 ℃时，样本C的静电可以被消除，样本A存在静电，主要是由于样本A采用静电纺丝工艺，并且自身较为柔软且薄。4个样本在温度达到85 ℃时，所有指标都很正常，达到90 ℃时，所有指标都增强，并且隔膜性较差，存在较大差异，导致出现褶皱，因此，隔膜受热温度不能超过90 ℃。

2.2 隔膜基础的性能

在隔膜使用中，如果机械强度条件一定，一定要对隔膜的厚度进行控制，不断减少隔膜密度，并且还要提高单个电池的能量以及电池能量的密度；同时，还可以保证孔隙率可以满足实际需求，获取充足的电解液。利用透气性测量隔膜离子电阻。

2.3 隔膜的DSC（示差扫描量热法）测试

隔膜A、隔膜B及隔膜D的DSC图如图1所示。纯PP膜熔点：165 ℃，高于PVDF膜160 ℃；在PP/PE/PP复合膜中，PE熔点为：133 ℃，PP熔点为162 ℃。所以，隔膜性和PE、PP及PVDF等材质自身存在的热性具有较大关系。

图1隔膜A、B及D的DSC图

2.4 隔膜的受热性能

2.4.1 隔膜受热性能对热收缩的影响

不同温度环境中隔膜热处理20 h和恒定温度（85 ℃）下隔膜热处理时间长短的不同。

在热处理过程中，温度小于90 ℃，那么隔膜样本B、C、D的TD热收缩率都很小。热处理温度等于95 ℃时，隔膜C的TD热收缩率为1.0 %，出现此种情况的主要原因是采用双向拉伸技术。单向拉伸隔膜（隔膜B与隔膜D）的TD热收缩率在恒定温度以内基本为0；样本隔膜A的TD热收缩率处于中间位置。单向拉伸样本隔膜B以及隔膜D的MD热收缩率较大；双向拉伸隔膜C的MD收缩率相对来说较小，出现这种情况的主要原因是由于单向拉伸隔膜机械的拉伸长度大。样本隔膜A的MD热收缩率和温度之间呈现反比，且最大热收缩在1.6 %范围内。隔膜TD热收缩率基本不会受到热处理时间长短的影响；而MD热收缩率受到热处理时间长短的影响较大。单向拉伸样本隔膜B以及样本隔膜D的MD收缩率和热处理时间长成正比；样本隔膜A和双向拉伸隔膜C在经过热处理4 h以后，热收缩基本平衡。

2.4.2 受热性能对孔隙率

通过对实验数据进行分析，热处理工作中，随着温度持续升高，隔膜孔隙率呈现降低状态，其中隔膜A和隔膜D孔隙率变化较为明显，热处理温度在80 ℃～85 ℃时孔隙率变化最明显，下降速度快。但是，热处理时间达到4 h以后，没有发生明显变化，热处理20 h以后，隔膜B和隔膜C孔隙率出现小幅度回升，隔膜孔隙率的下降受到室温等效性的影响，热处理时长以及温度的增加对隔膜孔隙率所产生的影响大同小异，但是，温度对隔膜孔隙率产生的影响大于时长所造成的影响。

2.4.3 受热性能对透气性

室温为80 ℃时，隔膜透气性变化较小；在室温达到80 ℃～85 ℃时，隔膜Gurley数值明显升高，此时隔膜透气性呈现降低趋势；当温度达到95 ℃，Gurley数值升高，透气性升高，通过分析，我们可以得出结论：受热性能对透气性在不同温度下的影响不同。

3 结语

综上所述，温度在85 ℃时，隔膜的外观特征、孔隙率、透气性表现良好。同时，双向拉伸隔膜、静电纺丝隔膜4 h可以实现热收缩平衡；单向拉伸隔膜电池不能进行长时间烘烤。