锂离子电池隔膜基础知识培训手册

锂离子电池隔膜基础知识

培训手册

This model paper was revised by the Standardization Office on December 10, 2020

（一）聚烯烃隔膜分类

分类方

法

按材料分类按工艺分类按结构分类

种类

PP、PE、

PP/PE复合干法、湿法

单层PP、PE

多层PP、PE

三层

PP/PE/PP

（二）聚烯烃隔膜的主要原料

隔膜使用的聚烯烃材料目前主要是聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE ）两类。聚烯烃材料具有强度高、耐酸碱腐蚀性好、防水、耐化学试剂、生物相容性好、无毒性等优点，在众多领域得到了广泛的应用。当前，商品化的液态锂离子电池大多使用微孔聚烯烃隔膜，因为聚烯烃化合物在合理的成本范围内可以提供良好的机械性能和化学稳定性，而且具有高温自闭性能，更加确保了锂离子二次电池在日常使用上的安全性。

（三）聚烯烃隔膜的主要生产方法

1、热致相分离法（湿法—TIPS）

利用高分子材料和特定的溶剂在高温条件下完全相容，冷却后产生相分离的特性，使溶剂相连续贯穿于聚合物相形成的连续固态相中，经过拉伸扩孔后，将溶剂萃取后在聚合物相中形成微孔。在目前湿法隔膜制造过程中，通常将聚烯烃树脂原料和一些其它低分子量的物质同混合，加热熔融混合均匀、经挤出拉伸成膜，再用易挥发溶剂把低分子物质抽提出来，形成微孔膜。

2、熔融拉伸法（干法—MSCS）

熔融拉伸法的制备原理是，高聚物熔体挤出时在拉伸应力作用冷却下结晶，形成平行排列的结晶结构，经过热处理后的薄膜在拉伸后晶体之间分离而形成狭缝状微孔，再经过热定型制得微孔膜。

在聚丙烯微孔膜制备中除了拉开片晶结构外，还可以通过在聚合物中添加结晶成核剂，形成特定的β晶型，然后在双向拉伸过程中发生β晶型向α晶型转变，晶体体积收缩产生微孔。

不同生产方法的隔膜特点

生产方

法

干法湿法

拉伸方

式

单向拉伸双向拉伸双向拉伸

工艺原

理

晶片分离晶型转换相分离

方法特点设备简单，投资

较小，工艺复

杂、成本高、环

境友好

设备复杂，

投资较大，

配方控制难

度高，生产

成本低

设备复杂、投

资较大、周期

长、工艺复

杂、成本高，

能耗大、有环

境污染

产品特点微孔尺寸小、分

布均匀，微孔导

通性好，能生产

不同厚度和不同

结构的产品，纵

向强度高、横向

强度低， TD 无

收缩

微孔尺寸

大、分布不

均匀，双向

强度均匀；

只能生产一

定厚度规格

PP 膜

孔径分布宽，

穿刺强度高；

适宜生产较薄

产品，只能生

产PE 膜

3、不同生产方法的隔膜电镜扫描图

图1 干法单向拉伸PP 隔膜SEM

图2 干法双向拉伸隔膜SEM

(a)

(b)

图3 湿法隔膜SEM

（四）聚烯烃隔膜的结构及特点

结构单层、双层单层、双层三层

材料PP PE PP/PE/PP 生产方干法干法、湿法干法

法

优点耐热性好、

透过性好

机械强度高低

温闭孔(130 ℃

左右)

综合了PP 、PE 膜优

点，机械强度好，安

全性更高

缺点安全关断温

度(闭孔温

度＞

140 ℃）

高于PE

耐高温性能不

如PP

高温透过性差

应用范围数码电池、

动力电池

数码电池数码电池

性能参数和使用要求

（一）隔膜的基本性能表征

1、孔隙率

孔隙率是孔的体积和隔膜体积的比值，即单位膜的体积中孔所占的体积百分比。它与原材料树脂以及最终制品的密度有关，大多数锂离子电池隔膜的孔隙率在35%～60%之间。

孔隙率与隔膜的透过能力有一定关系，但孔隙率大并不代表隔膜的透过性好，因为透过性取决于微孔的导通率和孔径大小。另外，对于一定的电解质，具有高孔隙率的隔膜可以降低电池的阻抗，但也不是越高越好，孔隙率太高，会使材料的机械强度变差。

4、孔径、孔径分布、孔的分布

一般隔膜的孔径在纳米级，双拉方式生产的隔膜的孔接近圆形，干法隔膜的孔为长条形。孔径的大小与隔膜的透过能力有关，过小的孔径会抑制锂离子通过，过大的孔径有可能导致隔膜穿孔形成电池微短路导致电池自放电过快。孔的分布不均匀有可能导致电池内部电流密度不一致，长期使用中锂离子可能沉积形成枝晶状刺穿隔膜。

制造方法孔径范

围

中值孔

径特点

单轴干

法0～400 90~120 孔径均匀，孔较小

双轴干法0～

3000 100~150

孔径不均匀，分

布宽

双轴湿法0～

1000 200~250

孔径较均匀，分

布宽

孔径和孔径分布一般采用压汞法测量，孔的分布均匀性一般采用SEM 观察。

5、力学性能

锂离子电池对隔膜机械强度的要求较高。电池中的隔膜直接接触有硬表面的正极和负极，而且当电极上的毛刺、带尖角的大颗粒物质、甚至电池内部形成枝晶，都会引起隔离膜被穿破而引起电池短路或微短路，因此要求隔离膜的抗穿刺强度尽量高。此外隔离膜拉伸强度和断裂伸长率也有一定要求。单轴拉伸的隔膜在拉伸方向与垂直拉伸方向强度不同，而双轴拉伸制备的隔膜强度在两个方向上基本一致。尽管如此，在实际应用中双向拉伸并没有性能上的优势。因为电池卷绕的受力方向是纵向；横向拉伸会导致垂直方向的收缩，

(2) 机械性能—隔膜的拉伸强度高，穿刺强度高；

(3) 热稳定性—收缩率低，具有较低的闭孔温度和较高的破膜温度；

(4) 透过率好—孔隙率高，孔径分布均匀、透气性好；

(5) 表面无静电—不吸尘、易分离；

(6) 电解液浸润性—与电解液相容性好，吸液率高；

(7) 均匀性—厚度、透过率、热收缩等。

2、锂离子电池对隔膜使用的要求

电芯成型

方式

电池外形隔膜使用要求

手动卷

绕

方形、圆

形

隔膜单片使用，要求易分

开、易从卷针抽取

叠

片

方形、异

性

隔膜单片使用，要求易分

开

自动/半自动卷

绕

方形、圆

形

隔膜整卷使用，恒张力控

制，要求端面整齐

叠

片

方形、异

性

发展趋势