鋰離子電池隔膜進(jìn)行穿透與拉伸試驗(yàn)

本文介紹了HS-3000A-S電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，配合恒溫箱，對(duì)鋰電池隔離膜進(jìn)行穿刺與拉伸試驗(yàn)測(cè)試其強(qiáng)度。通過(guò)這項(xiàng)研究，我們能夠評(píng)估在生產(chǎn)和使用過(guò)程中，隔離膜在不同溫度下的強(qiáng)度特性。

關(guān)鍵詞：鋰電池 隔膜 拉伸強(qiáng)度 穿刺 拉伸

鋰離子二次電池又稱充電電池（以下簡(jiǎn)稱鋰離子電池），因 其能量密度高、電池電壓高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用作信息終端和消費(fèi)電子等領(lǐng)域的能源。最近，它們?cè)絹?lái)越多地傳播到一般家庭應(yīng)用領(lǐng)域，包括混合電動(dòng)汽車，而且很明顯，未來(lái)的需求將進(jìn)一步增加。 由于鋰離子電池有時(shí)會(huì)因短路、過(guò)充放電、沖擊等原因變得不穩(wěn)定，因此在電池組件層面上加入了多種保護(hù)機(jī)制，以確保安全由 于鋰離子電池重量輕、體積小。

在這些組成部分中，鋰離子電池隔離膜防止正極和負(fù)極之間的接觸，同時(shí)起到允許鋰離子通過(guò)的間隔物的作用。并且，它還 具有防止短路時(shí)由于電流過(guò)大而導(dǎo)致電池溫度升高的功能。由于鋰離子電池隔離膜放置位置，使其與正負(fù)極粗糙表面接觸，因此需要較高的機(jī)械強(qiáng)度。這種機(jī)械強(qiáng)度必須保持穩(wěn)定，即使溫度有一些上升（這在某種程度上是常見的），例如電池充電。因此，我們使用和晟HS-3000A-S電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)與恒溫箱配合，在不同溫度狀態(tài)下，對(duì)隔離膜進(jìn)行了穿孔和拉伸測(cè)試，以評(píng)估強(qiáng)度隨溫度變化的情況。

1、實(shí)驗(yàn)設(shè)備

1.1 儀器 HS-3000A-S 電子萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī) 恒溫箱

1.2 分析條件

• 試驗(yàn)類型：穿刺/拉伸試驗(yàn)
• 負(fù)荷傳感器容量：100N
• 試驗(yàn)力精度：顯示值的 ±0.5%
• 試驗(yàn)速度：50mm/min
• 試驗(yàn)溫度：25℃ /60℃ /90℃
• 夾具：50N 氣動(dòng)夾具（平面齒0.4Mpa）

2、 試驗(yàn)方法

用于穿刺試驗(yàn)的隔離膜，從兩個(gè)小型電子設(shè)備上的鋰離子電池（圓柱形）中取出，用于測(cè)試環(huán)境溫度變化對(duì)隔離膜特性的影響。

用于拉伸試驗(yàn)的隔膜是從商用鋰離子電池（方形）中取出的，聚乙烯（PE）作為主要成分的樣品。進(jìn)行拉伸試驗(yàn)時(shí)，將每個(gè)分離樣品制成啞鈴形樣品，其方向?yàn)槊總€(gè)分離樣品的長(zhǎng)度和 寬度。所有標(biāo)本的總長(zhǎng)度35mm，平行截面尺寸為10（長(zhǎng)）×2（寬）mm。

圖 1. 拉伸試驗(yàn)樣品

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

為穿刺試驗(yàn)的力 - 位移曲線，表1示出了與溫度對(duì)應(yīng) 的最大力和最大位移。在25°C 和 60°C下的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表明，最大力沒(méi)有太大的差別，但最大位移是在60°C 時(shí)更大。在60°C 和 90°C 的結(jié)果值比較最大力在 90°C處明顯減小，但最大位移值變化不明顯。綜上所述，可以判斷在60℃時(shí)，鋰離子電池分離器的強(qiáng)度沒(méi)有降低，盡管其延伸性能明顯增加。

圖 2. 穿刺試驗(yàn)結(jié)果

表1.測(cè)量結(jié)果表

圖3 和圖4分別示出了樣品1的寬度和長(zhǎng)度方向，應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線。圖5和圖6分別示出了樣品2的寬度和長(zhǎng)度方向，應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線。表2顯示了在每個(gè)溫度下獲得的力學(xué)性能的測(cè)試值，每個(gè)樣品，寬度方向拉伸強(qiáng)度都比長(zhǎng)度方向低，但一般寬度方向伸長(zhǎng)率更大。再比較表2中的數(shù)據(jù)時(shí)，試樣的長(zhǎng)度方向拉伸強(qiáng)度約為寬度方向的5 倍。此外，樣品1在長(zhǎng)度上的斷裂應(yīng)變降低了，在寬度方向上大約是長(zhǎng)上度方向的 15倍。根據(jù)述結(jié)果，可以推測(cè)該隔離膜（樣品1）為采用長(zhǎng)度拉伸的方法制造。試樣2的寬度方向拉伸強(qiáng)度約為試樣1的兩倍，斷裂應(yīng)變較低。

因此，由于試樣2在長(zhǎng)度方向上具有更大的拉伸強(qiáng)度和較低的斷裂應(yīng)變的傾向，推測(cè)樣品2是以低的雙軸拉伸比制造的，并且在長(zhǎng)度方向上的拉伸比大于寬度方向的拉伸比。

當(dāng)比較 25° C 和 60° C下的試樣斷裂應(yīng)變和拉伸強(qiáng)度時(shí)，盡管由于試驗(yàn)溫度增加到 60° C，斷裂應(yīng)變值增加了 2 倍，但拉伸強(qiáng)度略有下降。同樣，當(dāng)與 60° C 和 90° C下的物理性能測(cè)量值相比，斷裂應(yīng)變與 25° C 和 60° C 下的應(yīng)變相比，表現(xiàn)出同樣的顯著增加趨勢(shì)。然而，在這種情況下，拉伸強(qiáng)度值出現(xiàn)顯著的降低。

圖 3.測(cè)試結(jié)果（樣品1，橫向）

圖 4.測(cè)試結(jié)果（樣品1，縱向）

圖5.測(cè)試結(jié)果（樣品2，橫向）

圖 6.測(cè)試結(jié)果（樣品2，縱向）

圖 5.測(cè)試結(jié)果（樣品2，橫向）

試驗(yàn)結(jié)果

綜上所述，很明顯，本試驗(yàn)中使用的鋰離子電池隔離膜在60° C 下仍保持良好的機(jī)械強(qiáng)度，盡管其伸長(zhǎng)特性提高。隔離膜需要高機(jī)械強(qiáng)度性能，以承受電池內(nèi)溫度的變化。這里，從鋰離子電池隔膜在常溫下的穿孔和拉伸試驗(yàn)結(jié)果可以清楚地看出，使用和晟HS-3000A-S電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，可以可靠地評(píng)估鋰離子電池隔膜的機(jī)械性能。