锂电池隔膜纸性能要求

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隔膜的化学稳定性
评价方法: 评价方法:通过测定耐电解液腐蚀能力和胀缩 率来评价. 率来评价. 耐电解液腐蚀能力:将电解液加温到50℃ 耐电解液腐蚀能力:将电解液加温到50℃后将 隔膜纸浸入其中4 个小时,取出洗净, 隔膜纸浸入其中4-6个小时,取出洗净,烘干与原 样比较. 样比较. 胀缩率:将隔膜纸浸泡在电解液中4 6h后检测 胀缩率:将隔膜纸浸泡在电解液中4-6h后检测 尺寸变化,与干态样相减求百分率. 尺寸变化,与干态样相减求百分率.
PE膜熔点低,闭 PE膜熔点低, 孔温度低. 孔温度低. PP膜熔点破裂 PP膜熔点破裂 温度较高, 温度较高,在PE 闭孔后仍然保 持良好的力学 性能. 性能.
隔膜材料的制造技术
相分离法( 相分离法(湿 法)的制造 高分子聚合物溶剂(添加剂) 高分子聚合物溶剂(添加剂)
混合加热 薄膜化、 微相分离(结晶化) 薄膜化、 微相分离(结晶化) 脱溶剂延伸(多孔形成) 脱溶剂延伸(多孔形成)
隔膜性能
主要指外观;厚度;面密度;电阻; 主要指外观;厚度;面密度;电阻;干态及湿 态抗拉强度;孔率;孔径;吸液率;吸液速率; 态抗拉强度;孔率;孔径;吸液率;吸液速率; 保持电解液能力;耐电解液腐蚀能力. 保持电解液能力;耐电解液腐蚀能力.
隔膜在锂离子电池的应用
1.主要作用 1.主要作用 2.基本要求 2.基本要求 3.主要性能及其评价 3.主要性能及其评价 4.隔膜主要性能对电池的影响 4.隔膜主要性能对电池的影响
提高电池的安 全性
锂离子隔膜与分离膜; 锂离子隔膜与分离膜;透气膜的不同
1.作用不同:隔膜使电池正负极隔离,锂离子可逆 1.作用不同:隔膜使电池正负极隔离, 往返其孔隙; 往返其孔隙; 分离膜的作用是使多组分溶剂和溶质的分离, 分离膜的作用是使多组分溶剂和溶质的分离, 截留,分级,提纯和富集,不可逆; 截留,分级,提纯和富集,不可逆; 透气膜的作用是透过湿气和氧气等气体, 透气膜的作用是透过湿气和氧气等气体,一般 不可逆; 不可逆;
主要性能及其评价
1.电绝缘性能 用绝缘耐压性来评价. 1.电绝缘性能:用绝缘耐压性来评价.隔膜的绝缘耐压性如果 电绝缘性能: 高的话(Celgard2400d的典型数值是1000±200V),他的电接 高的话(Celgard2400d的典型数值是1000±200V),他的电接 触耐压能力也就提高.注入电解液前在电池上加电压, 触耐压能力也就提高.注入电解液前在电池上加电压,如果 感到有电流,那就说明有电接触, 感到有电流,那就说明有电接触,此评价的结果依赖于隔膜 的强度和电池装配条件,尤其是依赖于电极设计. 的强度和电池装配条件,尤其是依赖于电极设计. 隔膜在保持电解液时电阻要低, 隔膜在保持电解液时电阻要低,如果此时电阻过高必将影响电 池的容量特性及电池性能. 池的容量特性及电池性能.
闭孔温度: 闭孔温度: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. 生的热量使隔膜微孔闭塞时的温度. 熔融破裂温度:给隔膜进行加热, 熔融破裂温度:给隔膜进行加热,当温度超过其 熔点发生破裂的温度. 熔点发生破裂的温度. SD温度应低于MD温度,而且两个温差大,但小于 SD温度应低于MD温度,而且两个温差大, 190℃ 金属锂起火温度). 190℃(金属锂起火温度). SD温度是电池使用的最高温度; SD温度是电池使用的最高温度;
隔膜纸的润湿性能
评价方法:η=m 评价方法:η=m2-m1/m1 η为吸液率 较好的润湿性能有利于隔膜同电解液间的亲 和,扩大隔膜与电解液的接触面积,增加电解 扩大隔膜与电解液的接触面积, 液对膜的润湿度,使尽量多的锂离子透过隔膜, 液对膜的润湿度,使尽量多的锂离子透过隔膜, 从而增加离子导电性,电池的放电性和容量. 从而增加离子导电性,电池的放电性和容量.
隔膜纸收缩率(2) 隔膜纸收缩率(2)
宽度收缩率
2#
3#
4#
5#
6#
Celgard 40
30001 18
S1582 25
30007 16
S1816 30
C300
三层隔膜纸SEM(扫描电子显微镜) 三层隔膜纸SEM(扫描电子显微镜)
三层隔膜纸SEM(扫描电子显微镜) 三层隔膜纸SEM(扫描电子显微镜)
单层隔膜纸SEM(扫描电子显微镜) 单层隔膜纸SEM(扫描电子显微镜)
隔膜应有的基本要求
1.电绝缘性好(非电子导体); 1.电绝缘性好(非电子导体); 2.对电解质离子有很好的透过性,电阻低; 2.对电解质离子有很好的透过性,电阻低; 3.对电解质具有化学稳定性和电化学稳定性; 3.对电解质具有化学稳定性和电化学稳定性; 4.对电解质润湿性好 ; 4.对电解质润湿性好 5.具有一定的机械强度,厚度尽可能小 ; 5.具有一定的机械强度,厚度尽可能小
TCN’S method
在一定压力面积下,随着温度的提高测定Gurley 在一定压力面积下,随着温度的提高测定Gurley 值. SD温度:当Gurley值增加时的最低温度被认为是 SD温度: Gurley值增加时的最低温度被认为是 闭孔温度. 闭孔温度. MD温度:当Gurley值迅速变小时(样品被熔化破裂) MD温度: Gurley值迅速变小时(样品被熔化破裂) 被认为是熔化温度. 被认为是熔化温度.
测试方法
热电池法: 热电池法:用 电极夹住隔 膜构成电池, 膜构成电池, 然后电池升 温,测定隔膜 内阻. 内阻.
TMA(热机械分析) TMA(热机械分析)
热机械分析: 热机械分析: 在恒定的拉 力(2gf)用 (2gf)用 TMA设备在 TMA设备在 以5℃/min 的速率下测 定样品的收 缩
基本要求
1.足够的隔离性和电子绝缘性,能够保证正负极的机械隔离 和阻止活性物质的迁移; 2.有一定的孔径,对锂离子有很好的透过性,保证低的电阻和 高的离子导电率; 3.有足够的化学和电化学稳定性,一定的耐湿性和耐腐蚀性; 4.对电解液浸润性好 5.有足够的力学性能和防震能力,厚度尽可能小; 6.占的体积小,易于实现薄膜化; 7.自动关断保护性能好;
氮气透过量与温度的关系
IQC测透气度设备 IQC测透气度设备
隔膜多层结构的优越性
隔膜类别 PP PE PP/PE PP/PE/PP 电阻上升温 电阻下降温 膜破裂温度 度/℃ 度/℃ /℃ 156-163 156164-177 164162 130-133 130131-137 131134-135 134139-144 139167-191 167159-192 159139 167 165
要求性能 强度高(薄化) 强度高(薄化) 离子透过性高 (阻抗低) 阻抗低) 电流遮断性 改进技术 对电池性能影 响 采用超高分子量聚合 容量高;防止短 容量高; 物;利用成形技术对结 路;提高加工性
晶性、 结构机械控制
利用成形技术控制孔 提高大电流充 的形状、 直径和孔隙 放电性能 率等 按要求不同采用不同 聚合物和熔点不同的 聚合物的复合材料
隔膜的内部结构
1.孔径:可用压汞法测定;通过汞的体积和压力,微 1.孔径:可用压汞法测定;通过汞的体积和压力, 孔的大小有关; 孔的大小有关; 2.孔率:单位膜的体积中孔的体积百分率;可用比 2.孔率:单位膜的体积中孔的体积百分率; 重法测定:孔率=D 重法测定:孔率=D0-D/D0 3. 孔的曲折度:膜的厚度和气体或液体在实际膜 孔的曲折度: 当中通过的路径比例.(电池放电一般对膜的电 当中通过的路径比例.(电池放电一般对膜的电 阻而言,低曲折系数是有利的; 阻而言,低曲折系数是有利的;对短路时的 shutdown来讲,高的曲折系数有利.) shutdown来讲,高的曲折系数有利.)
制造方法不同
1.隔膜的制造方法很多, 1.隔膜的制造方法很多,目前较先进的工艺是 celgard法生产单层和多层PP,PE微孔膜 celgard法生产单层和多层PP,PE微孔膜 2.分离膜有相转化法等十多种化学和物理的制造 2.分离膜有相转化法等十多种化学和物理的制造 方法. 方法. 3.透气膜常用化学发泡法制造. 3.透气膜常用化学发泡法制造.
主要作用
1.利用其不导电性使电池正负极隔开,防止 1.利用其不导电性使电池正负极隔开, 短路; 短路; 2.依靠自身微孔结构让锂离子通过,使电解 2.依靠自身微孔结构让锂离子通过, 质反应,保持良好的离子导电性; 质反应,保持良好的离子导电性; 3.外部短路或错误连接导致大电流,隔膜因 3.外部短路或错误连接导致大电流, 热变形使微孔闭塞切断电流回路,确保安全. 热变形使微孔闭塞切断电流回路,确保安全.
电流切断特性(Shutdown) 电流切断特性(Shutdown)
Shutdown特性: Shutdown特性: 隔膜在大电流或外部短路 时微孔闭塞,切断电流回路的功能( 时微孔闭塞,切断电流回路的功能(一种安 全保护性能). 全保护性能). 主要参数:隔膜的闭孔温度(SD)和熔融破裂 主要参数:隔膜的闭孔温度(SD)和熔融破裂 温度(MD) 温度(MD) 隔膜孔结构的影响:高曲折度, 隔膜孔结构的影响:高曲折度,小孔径对阻止 和切断异常电流有利; 和切断异常电流有利;但有对电池离子导 电性和放电性有负面影响. 电性和放电性有负面影响.
透过物透过微孔的动力不同
锂离子隔膜依靠锂离子在正负极的浓度差和充 电时的电场; 电时的电场; 分离膜依靠外部压力; 分离膜依靠外部压力; 透气膜是内部气体浓度差
透过物不同
1.隔膜只让锂离子通过; 1.隔膜只让锂离子通过; 2.分离膜透过物是大分子,微粒,粒子,粗粒子,如细 2.分离膜透过物是大分子,微粒,粒子,粗粒子, 菌,蛋白质,盐等; 蛋白质,盐等; 3.透气膜透过物是气体分子;如氧气,水蒸汽等; 3.透气膜透过物是气体分子;如氧气,水蒸汽等;
隔膜的力学性能
拉伸强度:纵向和横向拉伸强度( 拉伸强度:纵向和横向拉伸强度(主要要求纵 向)25μm厚的隔膜纵向拉伸强度在1000kg/cm2 25μm厚的隔膜纵向拉伸强度在1000kg/cm 以上. 以上. 穿刺强度:与电极板表面的粗糙程度有关, 穿刺强度:与电极板表面的粗糙程度有关,电极使 用不同的材料要求隔膜的穿刺强度也不同. 用不同的材料要求隔膜的穿刺强度也不同.
隔膜纸收缩率(1) 隔膜纸收缩率(1)
7.50%
长度收缩率
6.50% 5.50% 4.50% 3.50% 2.50% 1.50% 0.50% 1# Celgard 40 2# 30001 18 3# S1582 25 4# 30007 16 5# S1816 30 6# C300
3.00% 2.50% ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ.00% 1.50% 1.00% 0.50% 0.00% 1# -0.50% -1.00%
隔膜的作用
1.使电池的正,负极分隔开来,防止短路; 1.使电池的正,负极分隔开来,防止短路; 2.吸附电池中电解液,确保高的离子电导率; 2.吸附电池中电解液,确保高的离子电导率; 3.有的还能防止对电池反应有害的物质在电极间 3.有的还能防止对电池反应有害的物质在电极间 迁移; 迁移; 4.保证在电池发生异常时使电池反应停止,提高电 4.保证在电池发生异常时使电池反应停止, 池的安全性能; 池的安全性能;
延伸造孔法(干法) 延伸造孔法(干法)
延伸法的 制造流程 如右图: 如右图: 高分子粘稠液、 聚合物溶剂(添加剂) 聚合物溶剂(添加剂) 薄膜化(定向结晶) 薄膜化(定向结晶) 热处理(重结晶,高延展层) 热处理(重结晶,高延展层) 延伸(多孔形成) 延伸(多孔形成)
多层膜的生产工艺示意图
隔膜改进方向
透气性
透气性是反映隔膜的孔隙率; 透气性是反映隔膜的孔隙率;孔径大小等内部结构 综合因素.通常测定透气度t 综合因素.通常测定透气度t t∝d-1 * ξ-1 *h*q2
R ∝ t*d
透气度
透气度:在一定条件下(压力,测定面积) 透气度:在一定条件下(压力,测定面积)一定量空 气通过隔膜所需要的时间,称作Gurley值 气通过隔膜所需要的时间,称作Gurley值. Gurley=(10ml/V)*12.56cm2 /in2
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