鋰電池隔膜失效原由分解

鋰電池主要由正、負極極片和隔膜、電解液、外殼和正負極端子組成，其中隔膜在鋰電池的內部起到了至關緊要的作用。在鋰電池的內部，隔膜不僅要避免正負極之間接觸，達到電子絕緣的效果，還要保持一定的孔隙率準許電解液中的離子穿過隔膜，在正負極之間往復運動。在滿足上述的基本要求的同時，隔膜還要達到安全性的要求，例如在充放電循環過程中在負極的表面會形成鋰枝晶，尖銳的鋰枝晶發展到一定的程度可能會穿透隔膜導致正負極之間發生短路，釋放大量的熱，從而引發鋰電池的熱失控，導致嚴重的安全事故。或者在電池發生擠壓針刺的過程中，由于局部短路點釋放出大量的熱，導致隔膜發生熱收縮，導致大面積的正負極接觸，筆直引起電池起火爆炸，因此隔膜對鋰電池的性能和安全性都有著緊要的影響。

為了滿足鋰電池隔膜對性能和安全性方面的要求，人們開發出了多種復合隔膜，例如pp-pE-pp三層復合隔膜，在電池溫度高于130℃時，中間層的pE層會發生熔化，而兩側的pp隔膜熔點較高，起到支撐作用，熔化的pE堵塞pp隔膜上的孔隙，從而達到阻斷放電的作用。再如陶瓷涂層隔膜，在一般隔膜的基體上涂布Al2O3等無機氧化物，在高溫時對隔膜起到支撐作用，減少隔膜收縮，從而提高鋰電池的安全性。

近日，麻省理工學院的XiaoweiZhang等人對多種不同工藝和結構的隔膜進行了機械性能的研究，分解了導致隔膜失效的機械參數。這些隔膜蘊含了干法工藝制備的pE隔膜和三層復合隔膜，濕法工藝制備的陶瓷涂層隔膜，以及無紡布工藝制備的隔膜，這基本上涵蓋了目前市場時常見的隔膜類型。試驗主要探測了上述幾種隔膜在縱向（MD）、橫向（TD）和對角線方向（DD）的單向拉伸強度，厚度壓縮試驗和軸向穿刺試驗，這些試驗揭示各種隔膜的失效機械參數。XiaoweiZhang等人依據上述結果建立了一個pE隔膜的有限元模型，準確的預測了pE隔膜在單向拉伸試驗和厚度壓縮實驗中的pE隔膜的反饋結果。

詳盡試驗過程如下，首先將參與探測的隔膜材料依據ASTM針對薄膜材料的D882規范的要求，制成了具有規矩形狀的長條形試樣，拉伸試驗采用Instron5944單向拉力機進行探測，拉力加載速度為25mm/min。探測結果發現，干法工藝制備的pE隔膜和三層復合隔膜在各個方向的抗拉強度上有很大的差距，例如在縱向MD上，抗拉強度》120Mpa，在橫向TD和對角線方向上僅》20Mpa。而濕法工藝制備的隔膜在各個方向上具有相近的抗拉強度（》140Mpa），而無紡布工藝制備的隔膜的抗拉強度最差（《35Mpa），無紡布隔膜在縱向和橫向具有相近的強度，但是對角線方向抗拉強度要分明弱很多。

為了探測隔膜的厚度壓縮性能，XiaoweiZhang將隔膜卷繞成具有40層的圓柱形結構，直徑為16mm，首先給卷芯采用0.5Mpa進行加壓，確保隔膜層間沒有間隙，然后逐漸增加壓力直到100Mpa。經過上述加壓試驗后，干法工藝制備的pE和三層復合隔膜在軸向上變形成橢圓，但是濕法陶瓷涂層隔膜和無紡布工藝隔膜則依然在探測后保持了圓形結構，這主要是由于干法隔膜各向異性較大，而濕法隔膜和無紡布隔膜各個方向上抗拉強度近似造成的。對隔膜卷芯的應變探測也發現，在壓力加載的過程中干法工藝制備的pE和三層復合隔膜在20Mpa左右存在一個分明的屈服點，而且應變也大于濕法工藝隔膜和無紡布工藝隔膜，后者在探測中未出現分明的屈服點。

穿刺強度試驗發現，干法工藝制備的pE隔膜和三層復合隔膜會在沿著縱向的方向上出現一個較長的裂縫，而對于濕法工藝和無紡布工藝隔膜，失效多數只出今朝局部，并且呈現圓形破口。

該項研究向我們展示了今朝市場上主要隔膜種類在單向抗拉強度、厚度壓縮和穿刺強度，以及在失效模式上的區別。研究發現，干法工藝制備的pE和三層復合隔膜在各個方向上的抗拉強度存在很大的差異，縱向MD抗拉強度遠大于橫向TD抗拉強度，而濕法工藝制備的隔膜在各個方向上具有相近的抗拉強度，并且高于其他類型的隔膜，在厚度壓縮試驗中由于干法隔膜各項異性很大，從而導致隔膜卷芯塑性變形較大，而在穿刺試驗中濕法隔膜也展現出了最高的穿刺強度，并且只出現了局部的圓形破口，而pE隔膜則出現了長條形的裂縫。

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