鋰電池包作為由多個(gè)的單體鋰電池通過并聯(lián)和串聯(lián)的方式組合而成的鋰電池集合體。要談及鋰電池包隔膜材料的作用可以從鋰電池隔膜材料的作用來談起。所以本文主要的內(nèi)容為鋰電池隔膜材料的作用以及隔膜對(duì)鋰電池的影響。
隔膜是鋰電池的結(jié)構(gòu)中最關(guān)鍵的內(nèi)層組件之一。隔膜的主要作用是將正負(fù)極片隔開防止電池短路同時(shí)保證充放電時(shí)離子的正常通過保證電池的正常工作的作用。其性能的好壞直接影響電池的容量、倍率、壽命以及安全等性能。具體是如何影響的呢？
鋰電池包隔膜的作用
鋰電池的主要組成結(jié)構(gòu)為正負(fù)極，隔膜，有機(jī)電解液和電池外殼。在這些結(jié)構(gòu)之中，隔膜是關(guān)鍵的內(nèi)層組件之一。
隔膜主要起兩個(gè)作用。第一個(gè)作用是作為絕緣層，絕緣層的存在能有效的防止因正負(fù)電極相接觸而導(dǎo)致的鋰電池內(nèi)部的短路。
第二個(gè)作用是作為半透層，半透層可以阻止體積較大的分子通過，允許小體積的帶電離子通過，這樣可以提高正負(fù)電極附近的濃度差，有利于離子的擴(kuò)散，從而提高鋰電池的存儲(chǔ)效率。
隔膜除了對(duì)鋰電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)有用處，對(duì)于外部的物理反應(yīng)也有用處。比如說當(dāng)鋰電池受到外部硬物的擠壓，穿刺時(shí)，相當(dāng)于為鋰電池多上了一層保險(xiǎn)。通常情況下能保障鋰電池包受到外物沖擊時(shí)僅僅會(huì)脹氣而不是直接發(fā)生爆炸。
隔膜對(duì)鋰電池的影響
對(duì)電壓的影響
隔膜厚度較薄，離子遷移的通道較短，極化現(xiàn)象就會(huì)有一定消弱，鋰電池的低溫電壓平臺(tái)相對(duì)就會(huì)較高。隔膜孔洞過大會(huì)加快鋰電池的自放電過程，從而降低電池的電壓一致性。
對(duì)安全性的影響
厚一些的隔膜在鋰電池受到外物沖擊的時(shí)候，能夠更好的保障內(nèi)部的正負(fù)極的隔離，所以厚一些的隔膜同時(shí)意味著更好的安全性。
由于鋰電池在持續(xù)的使用過程中溫度會(huì)升高，所以隔膜一般有能夠提供一個(gè)熱關(guān)閉的附加功能。當(dāng)鋰電池包內(nèi)內(nèi)阻提高三個(gè)數(shù)量級(jí)時(shí)，隔膜的熱關(guān)閉功能將會(huì)開始作用。
對(duì)內(nèi)阻的影響
隔膜的透氣率和裝配其的鋰電池的內(nèi)阻成正比，即隔膜的透氣率越高，鋰電池的內(nèi)阻就會(huì)越大。
隔膜能否被鋰電池所用的電解液完全浸潤也會(huì)影響電池的內(nèi)阻。電解液的浸潤度與隔膜材料本身有關(guān)也與其內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)相關(guān)。
表1：一部分隔膜性能與電池性能的相關(guān)性比較
厚度
厚度與內(nèi)阻有關(guān)，越薄內(nèi)阻越小，從而實(shí)現(xiàn)大功率充放電。在一定的機(jī)械強(qiáng)度下盡可能小，越厚穿刺強(qiáng)度越好。對(duì)于消耗型鋰離子電池，一般將25μm作為隔膜厚度的標(biāo)準(zhǔn)。但是便攜式產(chǎn)品的需求日益增長的形式下，16μm甚至更薄的隔膜開始大范圍應(yīng)用。對(duì)于動(dòng)力電池來說，裝配過程中的機(jī)械要求，使得所需隔膜更厚一些，而且對(duì)于動(dòng)力電池來說安全性能非常重要，而厚一些的隔膜意味著更好的安全性。
隔膜厚度的均勻性是一個(gè)特別重要的質(zhì)量指標(biāo)，它直接影響隔膜卷的外觀質(zhì)量以致內(nèi)在性能，生產(chǎn)過程中必須嚴(yán)格把控。在自動(dòng)化程度很高的隔膜生產(chǎn)線上，隔膜厚度都是采用精度很高的在線非接觸式測厚儀及快速反饋控制系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)檢測和控制的。隔膜的厚度均勻性包括縱向厚度均勻性和橫向厚度均勻性，其中橫向厚度均勻性尤為重要，一般均要求控制在±1微米以內(nèi)。
孔徑
鋰電池隔膜材料本身具有微孔結(jié)構(gòu)，微孔在整個(gè)隔膜材料中的分布應(yīng)當(dāng)均勻。目前所使用的電極顆粒一般在10微米的量級(jí)，孔徑一般在0.03-0.12um?？讖教?huì)增加電阻，孔徑太大容易使正負(fù)極接觸或被枝晶刺穿短路。一般來說，亞微米孔徑的隔膜足以阻止電極顆粒的直接通過，當(dāng)然也不排除有些電極表面處理不好，粉塵較多導(dǎo)致的一些諸如微短路等情況。
孔隙率
孔隙率是單體膜的體積中孔的體積百分率，它與原料樹脂及膜的密度有關(guān)?？紫堵实拇笮『蛢?nèi)阻有一定的關(guān)系，但不同種隔膜之間的空隙率的絕對(duì)值無法直接比較?，F(xiàn)有鋰離子電池隔膜的孔隙率在40%-50%之間。
透氣阻力
理論上來說，隔膜不是電池的必要組成部分，是未來滿足工業(yè)化生產(chǎn)才加入的，所以隔膜需要滿足一個(gè)很重要的性能：不能惡化電池的電化學(xué)性能，主要表現(xiàn)在內(nèi)阻上。用兩個(gè)參數(shù)評(píng)價(jià)這一性能：
MacMullin數(shù)：含電解液的隔膜的電阻率和電解液本身的電阻率之間的比值。此數(shù)值越小越好，消耗型鋰離子電池的這個(gè)數(shù)值為8左右。
Gurley數(shù)：一定體積的氣體，在一定壓力條件下通過一定面積的隔膜所需要的時(shí)間。與隔膜裝配的電池的內(nèi)阻成正比，即該數(shù)值越大內(nèi)阻越大。不過單純比較兩種不同隔膜的Gurley數(shù)是沒有意義的，因?yàn)樗鼈兊奈⒂^結(jié)構(gòu)可能完全不一樣，但是同一種隔膜的Gurley數(shù)的大小可以很好的反應(yīng)內(nèi)阻的大小。
溫度
閉孔溫度：電池內(nèi)部發(fā)生放熱反應(yīng)自熱、過充或者電池外部短路時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，造成微孔閉合，從而阻斷離子的繼續(xù)傳輸而形成斷路，起到保護(hù)電池的作用，微孔閉合時(shí)的溫度就是閉孔溫度。但對(duì)于小電池，熱關(guān)閉機(jī)制所起的作用很有限。一般PE為130-140℃，PP為150℃。閉孔溫度低一些比較好。
破膜溫度是指電池內(nèi)部自熱，外部短路使電池內(nèi)部溫度升高，超過閉合溫度后微孔閉塞阻斷電流通過，熱熔性能溫度進(jìn)一步上升，造成隔膜破裂、電池短路。破裂時(shí)的溫度即為破膜溫度。破膜溫度高一些比較好。
穿刺強(qiáng)度
在一定的速度（每分鐘3-5米）下，讓一個(gè)沒有銳邊緣的直徑為1mm的針刺向環(huán)狀固定的隔膜，為穿透隔膜所施加在針上的最大力就稱為穿刺強(qiáng)度。足夠的穿刺強(qiáng)度可以防止鋰枝晶、極片毛刺刺穿隔膜造成短路，抗穿刺強(qiáng)度值一般在300-500g。但是測試的時(shí)候所用的方法和實(shí)際電池中的情況有很大的差別，直接比較兩種隔膜的穿刺強(qiáng)度不是特別合理。
機(jī)械強(qiáng)度
機(jī)械強(qiáng)度主要是指隔膜的拉伸強(qiáng)度，足夠的拉伸強(qiáng)度可以防止隔膜變形。隔膜的拉伸強(qiáng)度與制膜的工藝有關(guān)。采用單軸拉伸，隔膜在拉伸方向上與垂直方向強(qiáng)度不同；而采用雙軸拉伸時(shí)，隔膜在兩個(gè)方向上一致性會(huì)相近。一般拉伸強(qiáng)度主要是指縱向強(qiáng)度要達(dá)到100MP以上，橫向強(qiáng)度不能太大，過大會(huì)導(dǎo)致橫向收縮率增大，這種收縮會(huì)加大鋰電池廠家正、負(fù)極接觸的幾率。
浸潤性
為了保證電池的內(nèi)阻不是太大，要求隔膜是能夠被電池所用電解液完全浸潤。浸潤度一方面跟隔膜材料本身相關(guān)，另一方面?zhèn)€隔膜的表面及內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。較好的浸潤性有利于提高隔膜與電解液的親和性，擴(kuò)大隔膜與電解液的接觸面，從而增加離子導(dǎo)電性，提高電池的充放電性能和容量。浸潤性可通過測定其吸液率和持液率來衡量。
一致性
由于制備工藝的不同，隔膜一致性可能差別較大。一致性包括閉合溫度等自身特性，以及電鏡下觀察孔洞的一致性和厚度的一致性等表觀一致性。隔膜的一致性越高對(duì)其他方面的性能都有好處。