有关常见锂离子电池隔膜失效的分析

在锂离子电池的内部，隔阂不仅要防止正负极之间接触，到达电子绝缘的效果，还要保持一定的孔隙率允许电解液中的离子穿过隔阂，在正负极之间往复运动。在满足上述的基本要求的同时，隔阂还要到达安全性的要求，例如在充放电循环过程中在负极的表面会构成锂枝晶，尖利的锂枝晶发展到一定的程度可能会穿透隔阂导致正负极之间发作短路，释放很多的热，然后引发锂离子电池的热失控，导致严重的安全事故。或者在电池发作挤压针刺的过程中，由于部分短路点释放出很多的热，导致隔阂发作热缩短，导致大面积的正负极接触，直接引起电池起火爆炸，因此隔阂对锂离子电池的性能和安全性都有着重要的影响。

为了满足锂离子电池隔阂对性能和安全性方面的要求，人们开发出了多种复合隔阂，例如PP-PE-PP三层复合隔阂，在电池温度高于130℃时，中间层的PE层会发作熔化，而两边的PP隔阂熔点较高，起到支撑效果，熔化的PE堵塞PP隔阂上的孔隙，然后到达阻断放电的效果。再如陶瓷涂层隔阂，在一般隔阂的基体上涂布Al2O3等无机氧化物，在高温时对隔阂起到支撑效果，减少隔阂缩短，然后提高锂离子电池的安全性。

近来，麻省理工学院的XiaoweiZhang等人对多种不同工艺和结构的隔阂进行了机械性能的研讨，剖析了导致隔阂失效的机械参数。这些隔阂包含了干法工艺制备的PE隔阂和三层复合隔阂，湿法工艺制备的陶瓷涂层隔阂，以及无纺布工艺制备的隔阂，这基本上涵盖了目前市场经常见的隔阂类型。试验重要测验了上述几种隔阂在纵向（MD）、横向（TD）和对角线方向（DD）的单向拉伸强度，厚度紧缩试验和轴向穿刺试验，这些试验提醒各种隔阂的失效机械参数。XiaoweiZhang等人依据上述成果建立了一个PE隔阂的有限元模型，准确的预测了PE隔阂在单向拉伸试验和厚度紧缩试验中的PE隔阂的反应成果。

具体试验过程如下，首先将参与测验的隔阂资料依据ASTM针对薄膜资料的D882标准的要求，制成了具有规矩形状的长条形试样，拉伸试验选用Instron5944单向拉力机进行测验，拉力加载速度为25mm/min。测验成果发现，干法工艺制备的PE隔阂和三层复合隔阂在各个方向的抗拉强度上有很大的差距，例如在纵向MD上，抗拉强度》120MPa，在横向TD和对角线方向上仅》20MPa。而湿法工艺制备的隔阂在各个方向上具有相似的抗拉强度（》140MPa），而无纺布工艺制备的隔阂的抗拉强度最差（《35MPa），无纺布隔阂在纵向和横向具有相似的强度，可是对角线方向抗拉强度要显着弱很多。

为了测验隔阂的厚度紧缩性能，XiaoweiZhang将隔阂卷绕成具有40层的圆柱形结构，直径为16mm，首先给卷芯选用0.5MPa进行加压，保证隔阂层间没有间隙，然后逐步添加压力直到100MPa。通过上述加压试验后，干法工艺制备的PE和三层复合隔阂在轴向上变构成椭圆，可是湿法陶瓷涂层隔阂和无纺布工艺隔阂则仍然在测验后保持了圆形结构，这重要是由于干法隔阂各向异性较大，而湿法隔阂和无纺布隔阂各个方向上抗拉强度近似形成的。对隔阂卷芯的应变测验也发现，在压力加载的过程中干法工艺制备的PE和三层复合隔阂在20MPa左右存在一个显着的屈服点，而且应变也大于湿法工艺隔阂和无纺布工艺隔阂，后者在测验中未呈现显着的屈服点。

穿刺强度试验发现，干法工艺制备的PE隔阂和三层复合隔阂会在沿着纵向的方向上呈现一个较长的裂缝，而关于湿法工艺和无纺布工艺隔阂，失效多数只呈现在部分，而且呈现圆形破口。

该项研讨向我们展示了现在市场上重要隔阂种类在单向抗拉强度、厚度紧缩和穿刺强度，以及在失效形式上的差异。研讨发现，干法工艺制备的PE和三层复合隔阂在各个方向上的抗拉强度存在很大的差异，纵向MD抗拉强度远大于横向TD抗拉强度，而湿法工艺制备的隔阂在各个方向上具有相似的抗拉强度，而且高于其他类型的隔阂，在厚度紧缩试验中由于干法隔阂各项异性很大，然后导致隔阂卷芯塑性变形较大，而在穿刺试验中湿法隔阂也展现出了最高的穿刺强度，而且只呈现了部分的圆形破口，而PE隔阂则呈现了长条形的裂缝。