锂离子电池无纺布隔膜的特性试验研究 作者：瞿威来源：《中国新技术新产品》2019年第03期 摘要：该文以锂离子电池无纺布隔膜为研究对象，介绍了锂离子电池无纺布隔膜的含义，分析了锂离子电池无纺布隔膜制作方法。并利用机械应力分析的方式，对锂离子电池无纺布隔膜特性进行了探究。
关键词：锂离子电池;无纺布隔膜;电芯;耐热性能
中图分类号：TM91文献标志码：A
0前言
隔膜特性是影响锂离子电池内电化学反应速率的主要因素，其对锂离子电池充放电容量及安全循环性能有直接影响。在近几年的发展过程中，随着锂离子电池容量的增加，锂离子电池隔膜类型也不断增多，而无纺布隔膜是锂离子电池中应用较普遍的隔膜类型。因此，为保证锂离子电池内隔膜能满足锂离子电池的正常运行需求，对锂离子电池无纺布隔膜特性进行分析具有非常重要的意义。
1锂离子电池无纺布隔膜概述
锂离子电池无纺布隔膜是锂离子电池内部的主要组件。隔膜是一种热塑性薄膜材料，其可以分割锂电池的正极、负极，限制电子的自由流通，降低锂离子电池内部短路问题的发生概率。同时隔膜可供电解液离子自由运动，促使锂离子电池发生充电或放电反应。现阶段常用的锂离子电池隔膜主要包括陶瓷涂覆隔膜、无纺布隔膜、聚丙烯隔膜、聚乙烯隔膜等几种类型。
2锂离子电池无纺布隔膜的制备
2.1电芯制备
该文以湖南产NCM三元材料作为正极活性物质，导入黏结剂及导电炭黑后，根据97/1/2的比例，将上述材料搅拌成浆料并均匀涂布在16um的铝箔表层。正极活性物质制作完毕之后，采用人造石墨进行负极活性物质制备。即在原有物料的基础上，加入黏结剂及导电炭黑。根据96/1.5/2.5的比例，将上述材料搅拌成质地细密的浆料，并均匀涂布在10um的铜箔表层。在正负极活性物质制作完毕后，利用烘干、辊压、模切工艺，将26um无纺布陶瓷隔膜、27um PP陶瓷隔膜，按照“z”字形逐次叠加，最终形成额定容量为25Ah的软包动力电芯。
2.2电芯电性能测试
采用5V/A电池测试柜，设定电池测试柜测试电压范围在4.5V～2.70V，对新制软包动力电池性能进行测试。在电池标准通电后，静态放置1200s，利用1C～6C恒流放电至2.5V，测定软包无纺布陶瓷隔膜倍率性能;在锂离子电池充满电后，采用8mm钢制钉，以22mm/s的速度垂直刺穿电芯中心位置，静置120s，确定电芯抗爆炸性能，或者在电池充满电后，将锂离子电池无纺布陶瓷隔膜放置在135°C高压温度箱内。静置3600s后，观察120s，确定电池无
纺布隔膜燃烧临界点。
3锂离子电池无纺布隔膜的特性试验研究
3.1锂离子电池隔膜表面形貌分析
该次试验所制备的隔离膜主要包括无纺布基础材料、陶瓷涂层2个模块。基础材料定量、配比、陶瓷涂布厚度、三氧化二铝粉粒径等因素均会影响锂离子电池无纺布薄膜表面孔径及孔隙率。一般来说，在无纺布基材中三氧化二铝粉含量上升时，无纺布陶瓷隔离膜孔隙率、平均孔径会下降。这主要是由于无纺布基础材料纤维可转化为亞微米级纤维，其与PKT纤维呈紧密缠绕模式。此时加入三氧化二铝粉，可在一定程度上填补纤维间缠绕空隙，从而提高锂离子电池隔离表面基础材料致密度。同时考虑到隔离膜表面致密度对锂离子电池隔膜机械强度的影响，现有锂离子电池隔膜表面孔隙大多在0.01um-0.10um，孔隙率在40.1%～60.0%。经测试该次试验采用的无纺布基材，陶瓷涂布量在14g/m2时，所制备的锂离子电池无纺布陶瓷隔膜孔隙率为44.9%，孔径为0.06um。 3.2锂离子电池隔膜成分探究
采用RIGAKU D/MAX-2550X射线衍射仪对新制锂离子无纺布陶瓷隔离膜进行检测，得出无纺布隔离膜结晶度较低，且内部具有纤维素类成分、三氧化二铝结晶物。
3.3锂离子电池隔膜机械性能探究
通过针刺实验，可知无纺布隔离膜在针刺后没有发生燃烧或者爆炸现象。即正负极无接触短路放热情况。表明无纺布隔离膜具有优良的抗机械穿刺性能。同时锂离子电池无纺布隔离膜较高的液体吸收性能，可避免由于隔离膜大面积收缩导致锂离子电池正负极短路、热失控的问题。
3.4锂离子电池隔膜SEM及DSC分析
一方面，在锂离子电池无纺布隔离膜性能分析的过程中，遮断电流温度是一个非常重要的参数。在电池内部温度达到一定限度后，隔离膜微孔会迅速闭合，进而电阻增大、电流消失，整体锂离子电池充放电反应停止。而熔点是决定锂离子电池无纺布隔离膜诊断电流温度的主要因素。在锂离子电池达到熔点后，隔离膜孔洞会局部坍塌，进而在锂离子电池正、负电极间形成一层绝缘薄膜。
利用DSC200F5差示扫描量热仪对该次新制的锂离子电池无纺布陶瓷隔离膜遮断电流温度进行检测，得出该次制作的锂离子电池无纺布陶瓷隔离膜热分解温度为135.0°C。从无纺布陶瓷隔离膜自身热稳定性层面进行分析，可知无纺布陶瓷隔离膜具有极高的诊断温度及热闭孔温度，整体产品热熔安全性较高。
另一方面，由于锂离子电池无纺布陶瓷隔离膜表层具有致密的三氧化二铝颗粒，因此形成非直通孔径，即锂离子电池内部流通的正离子运转通道的曲折度较高。此时锂离子无纺布隔膜的液体储存能力、安全性能也会适当提高。同时基于锂离子电池电解液强腐蚀性，其极易与三氧化二铝颗粒产生置换反应，最终生成三氟化氯，电解液酸度增加，电极材料周边绝缘碱性物质腐蚀风险也增加。而通过无纺布膜隔离作用，可延缓电极材料腐蚀速度。
3.5锂离子电池隔膜耐热性能分析
该次试验使用的锂离子电池隔膜主要以无纺布为基础，为增加隔离膜耐热性能，在无纺布隔离膜双面均匀敷设了陶瓷粉末。由表1可知，无纺布陶瓷隔离膜基体孔隙率远大于一般隔离膜，表明其水分吸收能力、电解液通过速率较高。因此，在锂离子电池无纺布隔膜制备
期间，应控制水分含量。
由表1可知，将无纺布隔离膜、PP隔离膜分别放置在高压热风箱内，温度调节至200℃、150℃，静置3600s，发现无纺布隔离膜收缩率远低于PP隔离膜收缩率，且可以在高温环境中维持以往形态，起到正常的锂离子电池正负极阻隔作用，不会出现高温隋况下，由于锂离子电池隔离膜热收缩导致的正负极短路隋况。
4结语
随着动力锂离子电池的不断发展，对锂离子电池隔离膜性能也提出了更高的要求。因此，相关研究人员可综合分析隔离膜生产阶段隔离膜机械性能、隔离膜成分、隔离膜耐热性能、隔离膜DSC性能等。根据无纺布隔离膜透气性强、热稳定性高的特点，自主研发及生产锂离子电池隔离膜，为我国高新科技产业的发展奠定坚实的基础。
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