鋰離子動力電池用新材質(zhì)隔膜發(fā)展應(yīng)用及評測

動力電池對隔膜最基本的要求就是穩(wěn)定性，包括熱穩(wěn)定、電化學(xué)穩(wěn)定以及機(jī)械性能穩(wěn)定；在此基礎(chǔ)上，還需要隔膜提升一致性，并進(jìn)一步優(yōu)化孔隙率、孔隙結(jié)構(gòu)以及吸液保液能力。

天津力神電池股份有限公司聶磊部長作了“鋰離子動力電池用新材質(zhì)隔膜發(fā)展應(yīng)用及評測”的主題分享。

聶磊部長表示，隔膜也是一個講究綜合性能的產(chǎn)品，其性能指標(biāo)相互影響并相互制約。此外，僅僅是基本指標(biāo)并不能完全反映隔膜在動力電池中的表現(xiàn)，因此，為了實現(xiàn)動力電池最優(yōu)的電化學(xué)和安全性能，需要在關(guān)注MD和TD方向的同時，增加垂直方向VD在固定張力或者壓力下的機(jī)械性能和電化學(xué)性能。

按照成熟度，隔膜可分為新材質(zhì)和傳統(tǒng)聚烯烴產(chǎn)品。目前應(yīng)用最廣泛的還是聚烯烴及其涂層改性產(chǎn)品；而由于特殊的物理性質(zhì)，新材質(zhì)類幾乎都不能單獨的應(yīng)用在生產(chǎn)中，需要做涂層或者填充才能夠真正應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)。

但是從性能的角度講，新材質(zhì)是優(yōu)于傳統(tǒng)隔膜的。

傳統(tǒng)的隔膜分為直通孔、密閉孔、正?？?、半通孔，除正常孔外，其他孔在動力電池中均是負(fù)面作用大于正面作用。新材質(zhì)類隔膜和傳統(tǒng)隔膜相比，差異非常大，其抗拉強(qiáng)度比現(xiàn)在的隔膜要低很多，這就需要動力電池生產(chǎn)廠家的生產(chǎn)工藝和設(shè)備做出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

新材質(zhì)涂層隔膜在動力電池中的作用

1、涂層隔膜提高電池溫度安全性

將市面上常見的幾種隔膜從110℃加熱到180℃，可以明顯的感受到，除了耐高溫纖維素類隔膜能保持原始的尺寸，其他隔膜熱收縮率非常大，基本已經(jīng)失效?？傮w來看，PP略優(yōu)于PE，雙面涂層比單面涂層要好一些。

值得注意的是，即便是涂層后隔膜耐熱也只能提高30℃。而這“區(qū)區(qū)”30℃對一些三元電池的安全性來講，可能就是通過或者不通過的區(qū)別。從這個角度看，提高隔膜性本指標(biāo)對提升動力電池安全性能至關(guān)重要。

2、涂層隔膜抑制極組形變

電池生產(chǎn)過程中極片和隔膜難免會產(chǎn)生一些不能釋放的應(yīng)力，包括正負(fù)極材料會有一個體積變化。體積變化之后就會導(dǎo)致變形，涂層隔膜的目的之一是抑制極組形變，這在小電池或者是軟包電池上效果非常明顯，在大尺寸電池和金屬殼的動力電池效果還在測試中，還沒有數(shù)據(jù)。

此外，涂層也能耐一定的程度上金屬雜質(zhì)的擊穿，還有對一些由于非常低的MD方向抗拉強(qiáng)度而產(chǎn)生的邊緣拉絲和短路，改善效果非常明顯的。

不同涂層隔膜的對比

天津力神在開發(fā)能量密度240wh/kg、充放電倍率為2C的軟包電池時對比了氧化鋁涂層和耐高溫PET涂層隔膜。實驗發(fā)現(xiàn)，耐高溫PET涂層隔膜在充放電容量上高出兩個百分點，在高溫存儲性能上卻稍低兩個百分點，此外將兩種隔膜循環(huán)1000多次之后，容量保持率也相差不大。這證明氧化鋁涂層和耐高溫隔膜相比，放電倍率、容量衰減等電化學(xué)性能差異并不是很大。

但在熱穩(wěn)定性上，兩者差異非常明顯，耐高溫隔膜產(chǎn)品的安全都是比較穩(wěn)定的能夠通過，涂層隔膜在做前面這幾項安全測試的時候則是有機(jī)率的個別項目能夠通過。比如過充試驗中，PET涂層隔膜由于具有非常良好的耐高溫性，不管是單體電芯還是3P模塊都能通過過充測試，而同一款電池使用其他涂層隔膜僅單體可以通過，而3P模塊時無法滿足電池過充要求。

此外，在針刺實驗上，兩者的差距更為明顯，使用氧化鋁涂層隔膜的電池針刺完之后直接噴火失效，PET隔膜針刺之后幾乎沒什么反應(yīng)，電池沒有變化。

天津力神通過一系列實驗發(fā)現(xiàn)，相比傳統(tǒng)隔膜，新材質(zhì)在熱穩(wěn)定性、孔隙率、具有非常大的優(yōu)勢，但同時也存在一些問題。

第一就是穿刺強(qiáng)度不夠，有一些樣品有非常弱的顆粒黏結(jié)特性，這對卷繞設(shè)備提出了挑戰(zhàn)。有的卷繞的時候就開始掉涂層，有的雖然卷繞不掉，但是有充放電后拆完電池再看隔膜上涂層是有掉落的。

第二個問題是必須要要對生產(chǎn)工藝進(jìn)行調(diào)整，否則，孔隙率和內(nèi)阻分布非常難以控制。此外還有一些新材質(zhì)對水分要求非常高，有些新財政擊穿電壓非常低，這些都需要對生產(chǎn)工藝提出了新的要求。

第三個問題則是成本問題。其實新材質(zhì)隔膜從材料本身和涂層黏結(jié)劑、穩(wěn)定劑來說成本并不貴，而且這些材料非常容易得到，但由于沒有實現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化，成本暫時顯得非常高，對推動應(yīng)用也造成了影響。

第四個問題是隨著電池容量的增大，安全性越來越差，做到200wh/kg的時候還有比較明顯的改善效果，但能量密度再高比如300wh/kg左右時，不管是什么隔膜對安全性能測試結(jié)果似乎沒有這么明顯的差異。