锂离子电池隔膜评估方法-DengYQ V2

111锂离子电池隔膜评估方法

Evaluation

ofLi-ionBatterySeparator邓勇强YongqiangDeng东莞市迈科新能源有限公司DongguanMcNairNewPowerCo.Ltd2012年7月24日2目录隔膜的作用及必要特点隔膜评估流程隔膜基本性能表征总结隔膜的作用：隔离正负极，电子绝缘，离子导通必要特点：电子绝缘良好的锂离子透过性良好的机械及尺寸稳定性较好的电化学稳定性良好的电解液浸润性良好的均匀性及一致性隔膜的作用及必要特点3隔膜评估流程基本性能评估结果评审隔膜样品全电池评估结果评审试产Yes反馈给供应商原因分析YesNoNo本报告侧重讲述：隔膜基本性能表征，以加深对隔膜的理解及筛选出最合适的隔膜。量产结果评审原因分析NoYes4隔膜基本性能表征项目名称测试参数重要性参考意义形貌隔膜孔形貌、造孔均匀性必要隔膜孔形貌、造孔均匀性热收缩热收缩率必要耐热尺寸稳定性穿刺测试穿刺强度必要耐颗粒、毛刺刺穿能力Nm值Nm值必要隔膜锂离子透过性厚度及其均匀性厚度必要厚度、厚度均匀性透气度及其均匀性透气度必要透过性、隔膜透过均匀性孔隙率及孔的分布孔隙率、孔径分布必要孔隙多少及大小、储液能力、与透过性、阻隔微小颗粒的能力有关拉伸测试拉伸强度、杨氏模量可选抗拉特性、加工适应性闭孔、熔融测试闭孔温度、熔融（破膜）温度可选闭孔温度、熔融（破膜）温度，闭孔、熔融（破膜）行为接触角测试接触角可选隔膜电解液浸润性DSC测试熔点可选闭孔温度、熔融（破膜）温度、隔膜基材判断5形貌通过SEM,可以了解隔膜孔形貌、造孔均匀性及制备工艺。以下是几家重要隔膜厂家的隔膜电镜图：Celgard(干法单向拉伸)Asahi（湿法）Tonen（湿法）Asahi（Hipore）6形貌NittoDenko(湿法)SK（湿法）Ube(干法单向拉伸)金辉

(湿法)7形貌以下是不良隔膜的电镜图：拉伸断裂现象个别区域存在无孔现象无孔现象无孔现象8电芯灌液前需烘烤（85degC），烘烤后隔膜纵向收缩大，隔膜易打皱，电芯易弯曲变形。电芯成品热滥用测试，隔膜（特别是横向）收缩大，正负极接触短路，易失效。热收缩测试参数A（某湿法隔膜W20）B（某干法隔膜C20）85degC/4h纵向2.3%3.2%横向0.4%0.0%110degC/1h纵向5.1%1.9%横向1.6%0.0%130degC/0.5h纵向20.0%4.5%横向21.2%0.0%热收缩率可以表征隔膜耐热尺寸稳定性。9热收缩10成品电芯拆解图:隔膜纵向收缩，出现打皱现象热收缩短路着火点短路点隔膜横向收缩大，收缩至此位置隔膜横向收缩小，未出现短路点A(1/3pass,2/3fail)130degC/0.5h热滥用测试后电芯:B(3/3pass)11穿刺强度干法隔膜穿刺强度较湿法隔膜低，其耐颗粒和毛刺击穿的能力较差。测试项目干法隔膜湿法隔膜A(C12um)B(T12um)C(S12um)穿刺强度(kgf)0.170.380.40绝缘测试短路率（250V/20MΩ）27.3%5.2%0.0%绝缘测试击穿点绝缘测试短路电芯拆解图:穿刺强度可以表征隔膜耐颗粒、毛刺刺穿的能力。12Nm值可以表征隔膜锂离子透过性，反应隔膜对锂离子运动的影响，反应隔膜对电芯电化学性能的影响。Nm(Mac-Mullinnumber):Nm=σe/σsσs---充满电解液的隔膜电导率σe---电解液电导率其中σs=1/ρ=L/(S*Rseparator)，σe由电导率测试仪测得。

Rseparator---充满电解液的隔膜阻抗S---隔膜面积L---隔膜厚度

Rcell通过交流阻抗扫描而得

Rcell=Rseparator+(Relectrode+Rothers)Nm值13Rcell=xRseparator+(Relectrode+Rothers)Nm值分组Nm值J2020.41C1313.15J1611.56C20B8.70A207.72N167.59C206.88C166.80N126.81C253.62多次测试多层隔膜下的Rcell

,Rcell=xRseparator+(Relectrode+Rothers)并把测试值拟合（如下图），斜率值即为Rseparator，截距值即为Relectrode+Rothers14厚度及其均匀性厚度均匀性（纵向、横向）可用于表征隔膜均匀性、一致性。测试项目C16C20厚度(um)Average14.618.5Stdev0.610.62Max1620Min1317厚度曲面图:15透气度及其均匀性测试参数X20-1C16透气度(sec/10ml)Average15.713.9Stdev0.80.5Max16.815.3Min13.512.8透气度均匀性（纵向、横向）可用于表征隔膜透过性，及透过均匀性、一致性。透气度曲面图:16孔隙率及孔的分布孔径相当，孔隙率增大，透过性提高，电芯内阻减小，倍率性能提高。分组孔隙率透气度（sec/10ml)电芯内阻(mΩ)2C倍率(vs0.2C)A26%457882%B30%357090%C37%195397%孔隙率及孔的分布表征隔膜孔隙多少及大小，与隔膜储液能力、透过性、阻隔微小颗粒的能力相关。17孔隙率及孔的分布期望：孔隙率大，而孔径小且分布窄，则透过性好，并有效阻隔微小颗粒穿过隔膜。分组工艺孔隙率孔径分布备注美国C20干法单向拉伸45%0.01-0.4孔隙率较大，同时孔径较小且分布较窄国产X20干法单向拉伸32%0.01-0.3孔隙率较小，孔径较小且窄国产G20干法双向拉伸42%0.01-10孔隙率较大，孔径较大且分布宽日本T20湿法42%0.01-0.8孔隙率较大，孔径较小且分布稍宽国产J20湿法35%0.01-1.0孔隙率较小，孔径较小且分布稍宽18样品尺寸:10mm宽х150mm长;拉伸速率:50mm/min拉伸测试测试项目湿法(N20)干法(C20)拉伸强度(MPa)纵向（MD）Sample1100179Sample2105197Sample3106196Mean103191横向（TD）Sample19414Sample28013Sample39013Mean8813为适应全自动卷绕设备及较快的卷绕速度，隔膜纵向需要较高的抗拉强度（避免隔膜断）和杨氏模量（减少隔膜拉伸变形）。干法隔膜纵向拉伸强度高，横向拉伸强度低。拉伸测试用于表征隔膜的拉伸强度和抗拉变形特性。19样品尺寸:10mm宽х150mm长;拉伸速率:50mm/min拉伸测试测试项目湿法(N20)干法(C20)杨氏模量(GPa)纵向（MD）Sample11.20.9Sample21.11.1Sample30.91.0Mean1.11.0横向（TD）Sample10.20.5Sample20.20.4Sample30.30.3Mean0.20.4两款隔膜纵向杨氏模量相当。20闭孔、熔融测试B隔膜为PP/PE/PP三层隔膜，具有较好的闭孔、熔融行为，利于过充及热滥用等安全。使用Nm值测试相同的夹具；升温速率:2oC/min130度左右开始闭孔B隔膜160度出现破膜，短路闭孔、熔融测试用于表征隔膜闭孔、熔融（破膜）行为。A隔膜140度出现破膜，短路21接触角测试湿法N12接触角较小，说明其与电解液浸润较好。

接触角测试用于表征隔膜电解液浸润性。测试项目干法C20湿法N12接触角(度)50.939.8电解液:EC/PC/DEC1MLiPF6C20接触角测试图示：N12接触角测试图示：22DSC测试PE熔点130degC,PP熔点160degC。A为PP基材，B为PP+PE基材。PP隔膜PP/PE/PP隔膜DSC测试用于测试隔膜基材熔点、用于判断闭孔温度、熔融（破膜）

温度