锂离子电池隔膜基础知识培训手册

锂离子电池隔膜基础知

识培训手册

Document number【980KGB-6898YT-769T8CB-246UT-18GG08】

本手册主要介绍锂离子电池用聚烯烃隔膜，从隔膜的生产原理、性能特性、应用等方面来介绍有关隔膜知识。

（二）电池隔膜的分类

制造隔膜的材料有天然或合成的高分子材料、无机材料等。根据原材料特点和加工方法不同，可将隔膜分成有机材料隔膜、编制隔膜、毡状膜、隔膜纸和陶瓷隔膜等。电池用隔膜的分类如下图：

图1 电池用隔膜分类

从上图可知，隔膜可分为半透膜与微孔膜两大类。半透膜的孔径一般小于1nm ，而微孔膜孔径在10nm以上，甚至到几微米。

（三）锂离子电池隔膜的功能及机理

1、隔膜在锂离子电池中的主要功能

●在电池内部将正、负极分隔开来，防止接触造成短路；

●有良好的离子通过能力；

●有保持电解液的能力；

●有一定的保护电池安全的能力。

2、隔膜机理隔膜中具有大量曲折贯通的微孔，电解液中的离子载体可以在微孔中自由通过，在正负极之间迁移形成电池内部导电回路，而电子则通过外部回路在正负电极之间迁移形成电流，供用电设备利用。（四）锂离子电池隔膜的主要用途

各种液态锂离子电池，如手机电池、便携式DVD电池、笔记本电脑电池、电动工具电池、GPS电池、电动车和储能装置电池等。

聚烯烃隔膜原料和生产原理

（一）聚烯烃隔膜分类

分类方法按材料分类按工艺分类按结构分类

种类PP、PE、PP/PE

复合

干法、湿法

单层PP、PE 多

层PP、PE 三层

PP/PE/PP

（二）聚烯烃隔膜的主要原料

隔膜使用的聚烯烃材料目前主要是聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE ）两类。聚烯烃材料具有强度高、耐酸碱腐蚀性好、防水、耐化学试剂、生物相容性好、无毒性等优点，在众多领域得到了广泛的应用。当前，商品化的液态锂离子电池大多使用微孔聚烯烃隔膜，因为聚烯烃化合物在合理的成本范围内可以提供良好的机械性能和化学稳定性，而且具有高温自闭性能，更加确保了锂离子二次电池在日常使用上的安全性。（三）聚烯烃隔膜的主要生产方法

1、热致相分离法（湿法—TIPS）

利用高分子材料和特定的溶剂在高温条件下完全相容，冷却后产生相分离的特性，使溶剂相连续贯穿于聚合物相形成的连续固态相中，经过拉伸扩孔后，将溶剂萃取后在聚合物相中形成微孔。在目前湿法隔膜制造过程中，通常将聚烯烃树脂原料和一些其它低分子量的物质同混合，加热熔融混合均匀、经挤出拉伸成膜，再用易挥发溶剂把低分子物质抽提出来，形成微孔膜。

2、熔融拉伸法（干法—MSCS）

熔融拉伸法的制备原理是，高聚物熔体挤出时在拉伸应力作用冷却下结晶，形成平行排列的结晶结构，经过热处理后的薄膜在拉伸后晶体之间分离而形成狭缝状微孔，再经过热定型制得微孔膜。

在聚丙烯微孔膜制备中除了拉开片晶结构外，还可以通过在聚合物中添加结晶成核剂，形成特定的β晶型，然后在双向拉伸过程中发生β晶型向α晶型转变，晶体体积收缩产生微孔。

不同生产方法的隔膜特点

生产方

法

干法湿法

拉伸方

式

单向拉伸双向拉伸双向拉伸

工艺原

理

晶片分离晶型转换相分离

方法特点设备简单，投资较

小，工艺复杂、成

本高、环境友好

设备复杂，投

资较大，配方

控制难度高，

生产成本低

设备复杂、投资

较大、周期长、

工艺复杂、成本

高，能耗大、有

环境污染

产品特点微孔尺寸小、分布

均匀，微孔导通性

好，能生产不同厚

度和不同结构的产

品，纵向强度高、

横向强度低， TD

无收缩

微孔尺寸大、

分布不均匀，

双向强度均

匀；只能生产

一定厚度规格

PP 膜

孔径分布宽，穿

刺强度高；适宜

生产较薄产品，

只能生产PE 膜

3、不同生产方法的隔膜电镜扫描图

图1 干法单向拉伸PP 隔膜SEM

图2 干法双向拉伸隔膜SEM

(a)

(b)

图3 湿法隔膜SEM

（四）聚烯烃隔膜的结构及特点

结构单层、双层单层、双层三层

材料PP PE PP/PE/PP

生产方

法

干法干法、湿法干法

优点耐热性好、透

过性好

机械强度高低温

闭孔(130 ℃左

右)

综合了PP 、PE 膜优

点，机械强度好，安全

性更高

缺点安全关断温度

(闭孔温度＞

140 ℃）高

于PE

耐高温性能不如

PP

高温透过性差

应用范

围数码电池、动

力电池

数码电池数码电池

性能参数和使用要求

（一）隔膜的基本性能表征

1、孔隙率

孔隙率是孔的体积和隔膜体积的比值，即单位膜的体积中孔所占的体积百分比。它与原材料树脂以及最终制品的密度有关，大多数锂离子电池隔膜的孔隙率在35%～60%之间。

孔隙率与隔膜的透过能力有一定关系，但孔隙率大并不代表隔膜的透过性好，因为透过性取决于微孔的导通率和孔径大小。另外，对于一定的电解质，具有高孔隙率的隔膜可以降低电池的阻抗，但也不是越高越好，孔隙率太高，会使材料的机械强度变差。

孔隙率的测量一般采用称重法计算理论孔隙率。

2、透气度

透气度又叫Gurley 数，反映隔膜的透过能力。即一定体积的气体，在一定压力条件下通过1 平方英寸面积的隔膜所需要的时间。气体的体积量一般为100ml ，有些公司也会标10ml，最后的结果会差十倍。

透气度是由膜的孔径大小、孔径分布、孔隙率和开孔率等决定的，透气率从一定意义上来讲，和用此隔膜装配的电池的内阻成正比，即该数值越大，则内阻越大。然而，对于不同类型、厚度的隔膜，该数字的直接比较没有任何意义。因为锂离子电池中的内阻和离子传导有关，而透气率和气体传导有关，两种机理是不一样的。换句话说，单纯比较两种不同隔膜的Gurley 数是没有意义的，因为可能两种隔膜的微观结构完全不一样；但同一种隔膜的Gurley 数的大小能很好的反应出内阻的大小，因为同一种隔膜相对来说微观结构是一样的或可比较的。