锂离子电池隔膜基础知识

池
要功能是隔离正负极并阻止电池
概
内穿过，同时能够允许离子的通 过，从而完成在电化学充放电过
况
程中锂离子在正负极之间的快速
传输。隔膜性能的优劣直接影响
着电池的放电容量和循环使用寿
命。
2
隔
隔膜是一种具有纳米级微孔的
膜
高分子功能材料。也叫电池隔
及
膜、隔膜纸、多孔膜、离子交
制
换膜、分离膜、离子渗透膜等。
。闭孔温度是指外部短路或非正常大电流
通过时所产生的热量使隔膜微孔闭塞时的
温度。熔融破裂温度是指将隔膜加热，当
温度超过试样熔点使试样发生破裂时的温
度。由于电池短路使电池内部温度升高，
当电池隔离膜温度到达闭孔温度时微孔闭
塞阻断电流通过，但热惯性会使温度进一
步上升，有可能达到熔融破裂温度而造成
隔膜破裂，电池短路。因此，闭孔温度和
的凸凹表面。被夹在正负极片间的
隔膜材料，需要承受很大的压力。
因此，为了防止短路，隔膜必须具
备一定的抗穿刺强度。经验上，锂
离子电池隔膜的穿刺强度至少为
11.38kg/mm。
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隔 膜 特 性性 能之
理 化
(1)润湿性和润湿速度。较好的润湿性
有利于隔膜同电解液之间的亲和，
扩大隔膜与电解液的接触面，从而
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聚 烯 材烃 料材 ）料 （ 原
聚乙烯英文名称：polyethylene ， 简称PE，是乙烯经聚合制得的一种 热塑性树脂。聚乙烯无味，无毒, 为白色蜡状半透明颗粒或粉末，柔 而韧，手感似蜡,具有优良的耐低 温性能(最低使用温度可达-70～100℃),化学稳定性好,能耐大多数 酸碱的侵蚀,常温下不溶于一般溶 剂,吸水性小,比水轻，电绝缘性能 优良。
熔融破裂温度相差越大越好，此时电池的
安全性越好。
增加离子导电性，提高电池的充放
电性能和 容量。隔膜的润湿性不好
会增加隔膜和电池的电阻，影响电
池的循环性能和充放电效率。隔膜
的润湿速度是指电解液进入隔膜微
孔的快慢，它与隔膜的表面能、孔
径、孔隙率、曲折度等特性有关。
隔膜对电解液的润湿性可以通过测
定其吸液率和持液率来衡量。干试
样称重后浸泡在电解液中，待吸收
孔隙率、孔的形状及孔的曲折度等各因素
综合决定。曲折度低、厚度薄、孔径大和
孔隙率高都意味着透气性好，隔膜电阻低
。但是孔隙率并不是越高越好，孔隙率越
高，其力学性能就将受到影响。孔径一般
要求在0.01～0.1μm范围内，孔径小于
0.01μm时，锂离子穿过能力太小；孔径
大于0.1μm，电池内部枝晶生成时电池易
(4)透过性。透过性可用在一定时间和
压力下通过隔膜气体的量的多少来表 征，主要反映锂离子透过隔膜的通畅 性。隔膜透过性的大小是隔膜孔隙率、 孔径、孔的形状及孔曲折度等隔膜内 部孔结构综合因素影响的结果。 19
隔 膜 特 特性 性之
结 构
(5)SEM隔膜的表面形态结构也可用扫
描电子显微镜观测,湿法工艺可以得 到复杂的三维纤维状是拉伸结构的 孔，孔的曲折度相对较高。而干法 工艺成孔，因此孔隙狭长，孔曲折 度较低，透气度和强度都得到提高。
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湿
法
流 程 分 解
池 隔 膜
生Hale Waihona Puke 产 锂 离子电4.拉伸系统
拉伸系统是薄膜生产的另一个核心
环节。目的是使分子链在拉伸的过
程中产生取向，从而改善和提高产
品的应用性能或赋予产品以新的性
能。经过双向拉伸后的油膜，分子
链得到了纵横两个方向取向，而成
孔剂也均匀地分布在发生了取向的
分子链之间。从热力学上讲这时锂
绍
一定结构形状的高分子微孔膜。
湿法生产的特点是产品均匀性好，
安全性好 ，机械性能良好，孔曲折
度高。
4
湿 法 产 图品 的 电 镜
湿法生产隔膜电镜图
5
湿法锂离子电池隔膜的生产工艺流
程一般采取同步双向拉伸工艺。工
湿 艺流程大致包括：投料配料、挤出
法 塑化、过滤计量、铸片冷却、双向
流 程
池 隔 膜
生 产 锂 离
8
湿
法
流 程 分 解
池 隔 膜
生 产 锂 离
子
电
3.铸片冷却系统
铸片冷却是将从模头出来的熔体 经过激冷辊冷却成为固态厚片的过 程。铸片冷却起到的作用是： (1) 冷却熔体，形成厚片； (2)急冷熔 体，降低厚片结晶度，防止球晶的 形成； (3)急冷“塑料一成孔剂”混 合物熔体，使成孔剂与聚烯烃产生 热致性相分离; (4)急冷厚片表面， 使已产生相分离的大部分成孔剂被 锁在厚片里面，使成孔剂不容易流 走和渗出。
离子隔膜的微孔或微孔形状已经是
形成了，只是成孔剂还仍然占据了
孔的位置，堵住了隔膜的孔眼，使
得微孔还没有呈现出来.
10
湿
法
流 程 分 解
池 隔 膜
生 产 锂 离
子
电
5.收卷系统
锂离子隔膜的油膜由于成孔剂的存 在，收卷张力过小容易造成打滑跑 偏，而张力过大又会造成纵向碰得 太紧产生纵皱，影响后续加工的质 量。
平衡后，取出湿样称重，最后计算
其差值百分率。另外，也可以通过
电解液与隔膜材料的接触角来衡量
润湿性的好坏。
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隔 膜 特 性性 能之
理 化
(2)化学稳定性。隔膜在电解液中应当
保持长期的稳定性，在强氧化发应。 和强还原的条件下，不与电解液和 电极物质隔膜的化学稳定性是通过 测定耐电解液腐蚀能力和胀缩率来 评价的。
原
具有良好的氧化安定性，化学稳定 性。
料 二氯甲烷 的分子式：CH2Cl2，是不可
介 燃低沸点无色溶剂，沸点39.75℃，
绍
易挥发，其气体不燃烧，与空气混
合也不爆炸，相对密度1.3255，凝固
点-95℃，低毒。
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萃取，又称溶剂萃，是一种用液态
的萃取剂处理与之不互溶的双组分
或多组分溶液，实现组分分离的传
膜
曲折度、电解液的电导率、膜厚和电解液 对隔膜材料的润湿程度等。
特 (5)自闭性能。在一定的温度以上时，电池内
性性 能之
的组分将发生放热反应而导致“自热”， 另外由于充电器失灵、安全电流失灵等将 导致过度充电或者电池外部短路时，这些 情况都会产生大量的热量。由于聚烯烃材
理
料的热塑性质，当温度接近聚合 物熔点时 ，多孔的离子传导的聚合物膜会变成无孔
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隔 膜 特 性性 能之
力 学
在电池组装和充放电循环使用过程中 ，需要隔膜材料本身具有一定的机 械强度。隔膜的机械强度可用抗张 强度和抗刺穿强度来衡量。
(1)抗张强度。隔膜的抗张强度与膜的
制作工艺有关。一般而言，如果隔 膜的孔隙率高，尽管其阻抗较低， 但强度却要下降；而且在采用单轴 拉伸时，膜在拉伸方向与垂直拉伸 方向强度不同，而采用双轴拉伸制 备的隔膜其强度在两个方向上基本 一致。
法
生产方法：湿法、干法（单项
介
拉伸、吹膜法、双向拉伸）
绍
3
湿法也叫热致相分离法（TIPS）,或
者溶剂萃取成孔法，其化学原理是
相分离。 基本过程是指在高温下将
聚合物溶于高沸点、低挥发性的溶
湿
剂中形成均相液，然后降温冷却，
法
导致溶液产生液－固相分离或液－ 液相分离，再选用挥发性试剂将高
介
沸点溶剂萃取出来，经过干燥获得
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隔 膜 特 性性 能之
力 学
(2)抗刺穿强度。抗穿刺强度是指施
加在给定针形物上用来戳穿给定隔
膜样本的质量，它用来表征隔膜装
配过程中发生短路的趋势。由于电
极是由活性 物质、炭黑、增塑剂和
PVDF混合后，被均匀地涂覆在金属
箔片上，再经120℃真空干燥后制作
而成的，所以电极表面是由活性物
质和炭黑混合物的微小颗粒所 构成
7
湿
法
流 程 分 解
池 隔 膜
生 产 锂 离
子
电
2.挤出混合系统
挤出混合系统是薄膜生产的核心环 节之一。挤出混合的好坏，直接影 响到后续工序的生产和最终的产品 质量。挤出混合需要满足如下的要 求：(1)能够具备较强的剪切塑化 能力，让主料快速、均匀的塑化； (2)能够产生很好的混合效果，让 主料与成孔剂均匀混合： (3)能够 让物料与挤出机之、司不打滑、不 倒流、能够稳定进料。
拉伸、牵引切边测厚、后处理、收 卷检验、分切打包。
子
电
6
湿
法
流 程 分 解
池 隔 膜
生 产 锂 离
子
电
1.投料和配料系统
薄膜生产的投料和配料的稳定性直 接关系到挤出过程的稳定性、并且 对厚片和薄膜的厚度产生重要的影 响，从而影响到后续加工和产品的 性能和质量，例如主料和成孔剂的 比例是锂离子电池隔膜微孔孔径的 大小及分布的影响因素之一。所以 ，投料和配料必须要得到比较高的 精度保证。
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湿
法
流 程 分 解
池 隔 膜
生 产 锂 离
子
电
6.洗涤烘干系统
洗涤过程就是溶剂(萃取剂)萃取成 孔剂，溶剂取代成孔剂剂位置的过 程；而烘干过程就是加快萃取剂 的挥发，空气取代萃取剂位置的过 程，当然烘干过程也是萃取剂循环 回收的过程。经过洗涤烘干后的薄 膜由透明变成了白色，这说明锂离 子隔膜的微孔已经形成了。
质分离过程，是一种广泛应用的单
萃
元操作。 萃取有两种方式：液-液
取
萃取和固-液萃取（浸取），萃取操 作是一个物理过程。
说 液-液萃取，用选定的溶剂分离液体
明
混合物中某种组分，溶剂必须与被
萃取的混合物液体不相溶，具有选
择性的溶解能力，而且必须有好的
热稳定性和化学稳定性；固-液萃取
用溶剂分离固体混合物中的组分。
XX
高
科
锂离子电池隔膜
基础知识
技术部
XXX
2012.03.09
.
1
自20世纪90年代初索尼公司开发 成功锂离子电池以来，锂离子电
池以其能量密度高、循环寿命长
锂
和电压高等优异的电性能而获得
离
了迅速的发展。目前已经广泛应 用于手机、便携式电脑、照相机
子
、摄像机等电子产品领域。
电
锂离子电池由正负极、电解质和 隔膜组成。其中，隔膜的一个重
短路[16]。大多数锂离子电池隔膜的孔径
在0.03～0.1μm之间，孔隙率在30%～50%
之间，厚度一般小于30μm。
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微
之 间 的 关 系
孔 膜 结 构 与 性
能
2.自动关断保护性能是锂离子电池隔膜的一 种安全保护性能，是锂离子电池限制温度 升高及防止短路的有效方法。隔膜的闭孔 温度和熔融破裂温度是该性能的主要参数
隔 膜 特 特性 性之
结 构
(3)孔隙率。孔隙率对膜的透过性和电
解液的容纳量非常重要。可以定义为： 孔的体积与隔膜所占体积的比值，即 单位膜的体积中孔的体积百分率，它 与原料树脂及制品的密度有关。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。
(3)热稳定性。电池在充放电过程中会
释放热量，尤其在短路或过充电的 时候，会有大量热量放出。因此， 当温度升高的时候，隔膜应当保持 原来的完整性和一定的机械强度， 继续起到正负电极的隔离作用，防 止短路的发生。
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(4)隔膜的电阻。隔膜的电阻直接影响电池的
性能，因此隔膜电阻的测量十分重要。隔
隔
膜的电阻率实际上是微孔中电解液的电阻 率，它与很多因素有关，如孔隙度、孔的
nCH2=CH2→[—CH2—CH2—]n 高密度聚乙烯（HDPE）熔点范围为 132-135℃
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白油（white oil ）也叫液体石蜡、石
蜡油、白色油、paraffin oil、矿物油。
为无色透明油状液体，无味 ，闪点
其
164-223℃，为液体类烃类的混合物，
他 分子量通常都在250－450范围之内，
化 的绝缘层，微孔闭合而产生自关闭现象，
从而阻断离子的继续传输而形成断路，起
到保护电池的作用，因此聚烯烃 隔膜能够
为电池提供额外的保护。 25
微
之 间 的 关 系
孔 膜 结 构 与 性
能
1.透气性能
透气性是隔膜的一个重要指标，透气性越
好则锂离子透过隔膜的通畅性越好，隔膜
电阻越低。它是由膜的孔径大小及分布、
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锂 ➢结构特性
离 的子
➢力学特性
特 隔 ➢理化特性
性膜
具
备
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隔 膜 特 特性 性之
结 构
(1)厚度。锂离子电池隔膜的厚度一般≤
25μm。在保证一定的机械强度的前提 下，隔膜的厚度越薄越好。
(2)孔径和分布。作为电池隔膜材料，本身
具有微孔结构，容许吸纳电解液；为了 保证电池中一致的电极/电解液界面性质 和均一的电流密度，微孔在 整个隔膜材 料中的分布应当均匀。孔径的大小与分 布的均一性对电池性能有直接的影响： 孔径太大，容易使正负极直接接触或易 被锂枝晶刺穿而造成短路；孔径太小 则 会增大电阻。微孔分布不匀，工作时会 形成局部电流过大，影响电池的性能。18
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湿
法
流 程 分 解
池 隔 膜
生 产 锂 离
子
电
6.洗涤烘干系统
洗涤烘干系统是湿法锂离子隔膜生 产特有的工序过程。因为经上工序 加工后的薄膜虽然主料膜网与成孔 剂基本上已经产生了相分离，但成 孔剂还仍然分布在产生了双向取向 的分子链之间。洗涤烘干系统的作 用就是将成孔剂从油膜的孔中赶出 来或萃取出来，形成(准确的讲应 该是“呈现出” )能让锂离子通过的 微孔。