目前，市場上常見的隔膜類型主要有聚烯烴隔膜（單層或3層復合膜）、無紡布隔膜以及陶瓷涂層隔膜。隔膜的工藝和結構不同，則材料性能相差較大。

以聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）為代表的聚烯烴微孔膜具有優異的力學性能，化學穩定性和相對廉價的特點。與聚烯烴隔膜相比，無紡布隔膜具有更好的浸潤性和更大的孔隙率，但是孔分布不均勻，抗機械拉伸強度差。陶瓷涂層隔膜由于涂覆無機氧化物涂層使隔膜孔徑變得細小均一，改善了隔膜的熱穩定性和機械強度，進而提高了電池的性能。

本研究以鋰離子電池隔膜為研究對象，探討不同工藝與結構的隔膜拉伸強度和穿刺強度等機械性能，分析導致隔膜失效的原因。

1、實驗部分

1.1 原料與儀器

PE隔膜、３層聚烯烴隔膜、無紡布隔膜、陶瓷涂層隔膜。單向拉力機；穿刺力測試儀；電池充放電測試柜 ；聚焦離子束顯微鏡。

1.2 機械強度測試

隔膜的機械應力是影響其應用的一個重要因素，如果隔膜破裂，鋰離子電池就會發生短路，降低成品率，因此要求隔膜在電池組裝和充放電過程中，需要具有一定的機械強度。隔膜的機械強度可用拉伸強度和抗穿刺強度來評價。采用單向拉力機測試隔膜的縱向拉伸強度；采用穿刺力測試儀測試隔膜的軸向耐穿刺強度。

1.3 電池循環性能測試

隔膜的性能決定電池的界面結構和內阻，進而影響電池的容量、循環性能、充放電電流密度等關鍵特性。將不同隔膜組裝成鋰離子電池，采用電池充放電測試柜測試電池的循環充放電性能。

2、結果與討論

2.1 隔膜拉伸強度

隔膜的拉伸強度與隔膜的制作工藝有關。采用單軸拉伸時，膜在拉伸方向與垂直方向的強度不同；而采用雙軸拉伸時，隔膜在拉伸方向與垂直方向的強度接近。拉伸強度主要是指縱向強度要達到100Mpa以上，橫向強度不能太大，太大會導致橫向收縮率增大，這種收縮會加大電池正負極接觸的幾率。

根據標準 ASTM D882—2018將隔膜制成長條形試樣，總長60ｍｍ，標距段長35ｍ，按寬度分為10ｍｍ、20ｍｍ、30ｍｍ 和40ｍｍ四組。在單向拉力機上完成拉伸試驗，拉力加載速度為 25ｍｍ/min。不同隔膜的縱向 拉伸強度見圖1。

由圖可知，隨著隔膜寬度的增加，為保持固定的拉伸速度，拉伸強度隨之增加。3層聚烯烴隔膜拉伸強度最大，其寬度為10ｍｍ時，拉伸強度為2.6Mpa；無紡布隔膜的拉伸強度最小，隔膜寬度為10ｍｍ時，拉伸強度為0.6Mpa，拉伸強度僅為3層聚烯烴隔膜的1/4左右。

2.2 隔膜抗穿刺強度

隔膜被夾在凹凸不平的正負極片間，需要承受很大的壓力。為防止鋰離子電池正負極接觸造成短路，隔膜必須具備較強的抗穿刺性能。

將內徑32ｍｍ的穿刺夾具安裝在穿刺力測試儀上，選取直徑分別為3.175ｍｍ、6.35ｍｍ、12.6ｍｍ和25.4ｍｍ四種穿刺頭。參照GB/T 21302—2007進行隔膜抗穿刺強度試驗，不同隔膜的抗穿刺強度見圖2。

由圖可知：隨著穿刺頭直徑的增加，為保證相同的穿刺速度，加載載荷（抗穿刺強度）隨之增加；PE隔膜耐穿刺性能最佳，穿刺頭直徑為3.175ｍｍ，其抗穿刺強度為20N；與3層聚烯烴隔膜相比，陶瓷涂層隔膜由于具有無機氧化物涂覆層，提升了隔膜的耐穿刺性能，穿刺頭直徑為3.175ｍｍ，其抗穿刺強度為17N；無紡布隔膜耐穿刺強度最差，穿刺頭直徑為3.175ｍｍ，其抗穿刺強度僅為2.8N。

2.3 電池的循環性能

循環性能是電池壽命的主要指標，一般通過一定循環次數下的電池性能保持情況進行評價。鑒于PE隔膜和陶瓷涂層隔膜具有優良的機械性能，用2種隔膜分別組裝成鋰離子電池，電池正極為三元材料，負極為中間相炭微球，對組裝后的鋰離子電池循環充放電性能進行測試，結果見圖3。

由圖3（a）可以看出：室溫條件下，在充放電倍率為1C/1C，電池容量為10Ah條件下，經過900次充放電循環，用陶瓷涂層隔膜和PE隔膜分別組裝的鋰離子電池均顯示出良好的循環性能，放電容量保持率分別達到92.1％和86.4％。

從圖3（ｂ）和圖3（ｃ）可以看出：55℃高 溫 條 件下，在充放電倍率為1C/1C，電池容量分別為10Ah和15Ah條件下，與PE隔膜相比，用陶瓷涂層隔膜組裝的鋰離子電池的容量保持得更好，下降較慢。這可能是由于陶瓷涂層隔膜在普通PE隔膜的基體上涂布無機氧化物，在高溫時無機氧化物對隔膜起到支撐作用，減少了隔膜收縮，對提高鋰離子電池的安全性起到積極作用。用陶瓷涂層隔膜組裝的電池在55℃高溫條件下，經過300次循環后鋰離子電池的放電容量保持率分別為76.5％和83.9％。

從圖3（ｄ）看出：室溫條件下，在充放電倍率為1C/1C，電池容量為20Ah條件下，經過1000次充放電循環，用陶瓷涂層隔膜組裝的鋰離子電池具有更好的安全性能和循環性能，這可能是由于陶瓷涂層隔膜機械強度更高，對提高鋰離子電池的安全性起到積極作用。因此在循環次數較長的條件下，有利于提高鋰離子電池的高溫和室溫放電性能。

2.4 FIB-SEM分析

采用聚焦離子束顯微鏡對PE基膜上涂覆無機氧化物的陶瓷涂層隔膜進行形貌觀察，其 FIB-SEM圖見圖4。從PE基膜表面可以看到明顯的三維纖維狀結構［見圖4（ａ）］，表明該基膜采用濕法工藝制備。涂覆的氧化物顆粒均一地分布在PE基膜 表面，且涂層薄厚均勻，與PE基膜結合良好［見 圖4（ｂ）］所示；氧化物顆粒間存在孔徑大小不同的空洞［見圖4（ｃ）］，這些空隙有利于鋰離子的嵌入和脫出，且對電解液具有很好的吸液性和保濕性能，可改善鋰離子電池在充放電過程中電池內部電流的分布均勻性，顯著提高長期充放電循環時鋰離子電池的容量保持率。

3、結論

（1）隔膜的工藝和結構不同，材料機械性能相差較大：3層聚烯烴隔膜拉伸強度最大，隔膜寬度為10ｍｍ時，拉伸強度為2.6Mpa；無紡布隔膜的拉伸強度最小，隔膜寬度為10ｍｍ時，拉伸強度為0.6Mpa；PE隔膜耐穿刺性能最佳，穿刺頭直徑為3.175ｍｍ，其抗穿刺強度為20N；與3層聚烯烴隔膜相比，陶瓷涂層隔膜具有無機氧化物涂覆層，提升了隔膜的耐穿刺性能。

（2）陶瓷涂層隔膜是在普通PE隔膜的基體上涂覆無機氧化物，在高溫時無機氧化物對隔膜起到支撐作用，減少了隔膜收縮，對提高鋰離子電池的安全性起到積極作用。此外，氧化物顆粒間存在著孔徑大小不同的空洞，這些空隙有利于鋰離子的嵌入和脫出，且對電解液具有很好的吸液性和保濕性能，可改善鋰離子電池在充放電過程中電池內部電流的分布均勻性，從而提高鋰離子電池的充放電性能。在室溫、充放電倍率為1C/1C、電池容量為20Ah條件下，經過1000次充放電循環，陶瓷涂層隔膜組裝的電池放電容量保持率達到67.3％。

文章參考：電池技術TOP+