電池隔膜最主要的功能是分隔電池中的正負(fù)極板，防止正負(fù)極板直接接觸產(chǎn)生短路，同時(shí)，由于隔膜中具有大量貫通的微孔，電池中的正負(fù)離子可以在微孔中自由通過(guò)，在正負(fù)極板之間遷移形成電池內(nèi)部導(dǎo)電回路，而電子則通過(guò)外部回路在正負(fù)電極之間遷移形成電流，供用電設(shè)備利用。

對(duì)于鋰離子電池用隔膜，基本性能參數(shù)如下：

1、厚度;2、透氣率;3、浸潤(rùn)度;4、化學(xué)穩(wěn)定性;5、孔徑及分布;6、穿刺強(qiáng)度;7、熱穩(wěn)定性;8、閉孔溫度、破膜溫度;9、孔隙率。

基本參數(shù)

1

厚度

對(duì)于消耗型鋰離子電池(手機(jī)、筆記本電腦、數(shù)碼相機(jī)中使用的電池)，25微米的隔膜逐漸成為標(biāo)準(zhǔn)。然而，由于人們對(duì)便攜式產(chǎn)品的使用的日益增長(zhǎng)，更薄的隔膜，比如說(shuō)20微米、18微米、16微米、甚至更薄的隔膜開(kāi)始大范圍的應(yīng)用。對(duì)于動(dòng)力電池來(lái)說(shuō)，由于裝配過(guò)程的機(jī)械要求，往往需要更厚的隔膜，當(dāng)然對(duì)于動(dòng)力用大電池，安全性也是非常重要的，而厚一些的隔膜往往同時(shí)意味著更好的安全性。

2

透氣率

從學(xué)術(shù)角度來(lái)說(shuō)，隔膜在電池中是惰性的，即隔膜不是電池的必要組成部分，而僅僅是電池工業(yè)化生產(chǎn)的要求。隔膜的存在首先要滿足它不能惡化電池的電化學(xué)性能，主要表現(xiàn)在內(nèi)阻上。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稱為MacMullin數(shù)。一般來(lái)說(shuō)，消耗型鋰離子電池的這個(gè)數(shù)值為接近8，當(dāng)然這個(gè)數(shù)值越小越好。通常來(lái)說(shuō)，鋰離子電池隔膜中會(huì)有一個(gè)透氣率的參數(shù)，或者叫Gurley數(shù)。這個(gè)數(shù)是這么定義的，即一定體積的氣體，在一定壓力條件下通過(guò)一定面積的隔膜所需要的時(shí)間，氣體的體積量一般為50cc，有些公司也會(huì)標(biāo)100cc，最后的結(jié)果會(huì)差兩倍。

面積應(yīng)該是1平方英寸，壓力差記不太清楚了。這個(gè)數(shù)值從一定意義上來(lái)講，和用此隔膜裝配的電池的內(nèi)阻成正比，即該數(shù)值越大，則內(nèi)阻越大。然而，對(duì)于不同的隔膜，該數(shù)字的直接比較沒(méi)有任何意義。因?yàn)殇囯x子電池中的內(nèi)阻和離子傳導(dǎo)有關(guān)，而透氣率和氣體傳到有關(guān)，兩種機(jī)理是不一樣的。換句話說(shuō)，單純比較兩種不同隔膜的Gurley數(shù)是沒(méi)有意義的，因?yàn)榭赡軆煞N隔膜的微觀結(jié)構(gòu)完全不一樣;但同一種隔膜的Gurley數(shù)的大小能很好的反應(yīng)出內(nèi)阻的大小，因?yàn)橥环N隔膜相對(duì)來(lái)說(shuō)微觀結(jié)構(gòu)是一樣的或可比較的。

3

浸潤(rùn)度

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(rùn)。這方面沒(méi)有一個(gè)公認(rèn)的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。大致可以通過(guò)以下試驗(yàn)來(lái)判斷：取典型電解液(如EC：DMC=1:1，1MLiPF6)，滴在隔膜表面，看是否液滴會(huì)迅速消失被隔膜吸收，如果是則說(shuō)明浸潤(rùn)性基本滿足要求。更準(zhǔn)確的測(cè)試可以用超高時(shí)間分辨的攝像機(jī)記錄從液滴接觸隔膜到液滴消失的過(guò)程，計(jì)算時(shí)間，通過(guò)時(shí)間的長(zhǎng)短來(lái)比較兩種隔膜的浸潤(rùn)度。浸潤(rùn)度一方面?zhèn)€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)。

4

化學(xué)穩(wěn)定性

換句話說(shuō)就是要求隔膜在電化學(xué)反應(yīng)中是惰性的。經(jīng)過(guò)若干年的工業(yè)化檢驗(yàn)，一般認(rèn)為目前隔膜用材料PE或PP是滿足化學(xué)惰性要求的。

5

孔徑

一般來(lái)說(shuō)，隔膜為了阻止電極顆粒的直接接觸，很重要的一點(diǎn)就是防止電極顆粒直接通過(guò)隔膜。目前所使用的電極顆粒一般在10微米的量級(jí)，而所使用的導(dǎo)電添加劑則在10納米的量級(jí)，不過(guò)很幸運(yùn)的是一般碳黑顆粒傾向于團(tuán)聚形成大顆粒。一般來(lái)說(shuō)，亞微米孔徑的隔膜足以阻止電極顆粒的直接通過(guò)，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。

6

穿刺強(qiáng)度

這個(gè)參數(shù)實(shí)際上是由于電極表面不夠平整，以及裝配過(guò)程中工藝水平有限而提出的一個(gè)要求，因此要求隔膜有相當(dāng)?shù)拇┐虖?qiáng)度。穿刺強(qiáng)度的測(cè)試有工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)可遵循，大致是在一定的速度(每分鐘3-5米)下，讓一個(gè)沒(méi)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。同樣的，由于測(cè)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，但在微結(jié)構(gòu)一定的情況下，相對(duì)來(lái)說(shuō)穿刺強(qiáng)度高的，其裝配不良率低。但單純追求高穿刺強(qiáng)度，必然導(dǎo)致隔膜的其他性能下降。

7

熱穩(wěn)定性

隔膜需要在電池使用的溫度范圍內(nèi)(-20C~60C)保持熱穩(wěn)定。一般來(lái)說(shuō)目前隔膜使用的PE或PP材料均可以滿足上述要求。

當(dāng)然還有一個(gè)就是由于電解液對(duì)水份敏感，大多數(shù)廠家會(huì)在注液前進(jìn)行80C左右的烘烤，這對(duì)PP/PE隔膜也不會(huì)存在太大的問(wèn)題。

8

熱關(guān)閉溫度

內(nèi)容由于安全性問(wèn)題比較嚴(yán)重，目前鋰離子電池用隔膜一般都能夠提供一個(gè)附加的功能，就是熱關(guān)閉。一般我們將原理電池(兩平面電極中間夾一隔膜，使用通用鋰離子電池用電解液)加熱，當(dāng)內(nèi)阻提高三個(gè)數(shù)量級(jí)時(shí)的溫度稱為熱關(guān)閉溫度。這一特性可以為鋰離子電池提供一個(gè)額外的安全保護(hù)。實(shí)際上關(guān)閉溫度和材料本身的熔點(diǎn)密切相關(guān)，如PE為135C附近。當(dāng)然不同的微結(jié)構(gòu)對(duì)熱關(guān)閉溫度有一定的影響。但對(duì)于小電池，熱關(guān)閉機(jī)制所起的作用很有限。

9

孔隙率

目前，鋰離子電池用隔膜的孔隙率為40%左右。孔隙率的大小和內(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(wú)法直接比較。

市場(chǎng)情況

國(guó)際隔膜供應(yīng)商：

美國(guó)：Celgard(三層PP/PE/PP),Entek(單層PE)

荷蘭：DSM(單層PE)

德國(guó)：Degussa(為無(wú)機(jī)有機(jī)復(fù)合膜，較厚，主要適用于動(dòng)力型大電池)

日本：Asahi,Tonen(單層PE),UBE(三層PP/PE/PP)

國(guó)內(nèi)制作的目前主要有以下一些問(wèn)題：1、孔隙率不夠;2、厚度不均;3、有針孔;4、均勻度不夠;5、強(qiáng)度不夠

Bellcore技術(shù)大概是使用共聚物和某種溶劑形成膠狀物，然后刮在電極或其他平面表面，然后使溶劑蒸發(fā)形成多孔膜，然后和電極片堆疊或卷繞在一起，用鋁塑膜封裝，然后注液。具體的工藝就各家稍有不同。這種電池使用自成膜的電解質(zhì)，不再需要PP/PE隔膜了。

實(shí)際上任何高分子膜材料都不可避免的存在熱收縮性問(wèn)題，或多或少而已。這是由高分子的特性決定的，而且越接近高分子的熔點(diǎn)，這種收縮越強(qiáng)烈。比如說(shuō)隔膜材料，PE的熔點(diǎn)大概在130C左右，如果將此隔膜加熱到120度左右，那么隔膜的自由狀態(tài)的收縮率會(huì)超過(guò)30%。對(duì)于PP/PE/PP三層來(lái)說(shuō)，由于PP熔點(diǎn)較高，相對(duì)來(lái)說(shuō)在高溫的收縮性要好一些。

國(guó)內(nèi)有些廠家將隔膜的收縮率和安全性聯(lián)系起來(lái)，實(shí)際上是沒(méi)有太多道理可講的。收縮大的隔膜安全性并不一定差，而收縮小的安全性并不一定好。由于在電池中隔膜是固定在電極片之間的，一般來(lái)說(shuō)如果在80C十五分鐘的隔膜自由收縮率小于5%基本上就不會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。其他方面的影響不明顯。

當(dāng)然，如果過(guò)充電壓超過(guò)5V的化，基本上電池的溫度肯定會(huì)上升的，毫無(wú)疑問(wèn)。如果是這個(gè)時(shí)候，那么隔膜就在里面起一定的作用了，比如說(shuō)如果電池內(nèi)部溫度超過(guò)130C的話，就應(yīng)該隔膜發(fā)生關(guān)閉作用，降低電流，阻止溫度進(jìn)一步上升。但如果是小電池，更多的應(yīng)該還是要從電池材料和設(shè)計(jì)入手解決。

不過(guò)好像UL的標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有這么高的，是什么樣的客戶需要這么高的過(guò)充電壓測(cè)試啊。因?yàn)檫^(guò)充測(cè)試的目的是說(shuō)如果保護(hù)電路壞了，那么電池的充電電壓可能超過(guò)4.2V，達(dá)到5V左右。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是有一定道理的。但如果說(shuō)是超過(guò)5V過(guò)充，就是意味著充電器變壓器壞了，這時(shí)候就肯定不只5V了，可能就是市電了，這還有意義么?當(dāng)然這里說(shuō)的是小電池，比如說(shuō)容量<2Ah的，大電池另當(dāng)別論。

另外相對(duì)來(lái)說(shuō)單向拉伸的隔膜在橫向的收縮率一般是要比雙向拉伸的小一些，但這并不能保證電池會(huì)安全些。特別是對(duì)于高比容量(即使用較薄隔膜的)電池更是這樣的。有人做過(guò)相應(yīng)的測(cè)試。

針刺試驗(yàn)的時(shí)候，的確即使別的東西完全一樣，而僅僅是隔膜換了，導(dǎo)致的結(jié)果是有區(qū)別的。但這個(gè)還是無(wú)法直接和隔膜聯(lián)系起來(lái)，只能說(shuō)兩者的工藝出現(xiàn)不匹配，換句話說(shuō)出現(xiàn)問(wèn)題的隔膜不太適合該電池工藝，而需要一定的調(diào)整才行。