不同溫度循環過程中PE基隔膜和PP基隔膜的力學性能和電化學性能變化

李治中, 哈立原

(錫林郭勒職業學院 信息技術工程系, 內蒙古 錫林浩特 026000)

不同溫度循環過程中PE基隔膜和PP基隔膜的力學性能和電化學性能變化

李治中, 哈立原

(錫林郭勒職業學院 信息技術工程系, 內蒙古 錫林浩特 026000)

為了選擇合適的鋰離子電池內部隔膜的基材，深入理解采用PE和PP基材料制作隔膜的力學以及電化學特性，基于試驗法對PP和PE基薄膜進行了對比研究，結果表明此2種隔膜基礎材料均具有極強的耐腐蝕性，在鋰離子電池進行充放電工作循環過程中，導致其力學性大幅下降的因素為拉斷力產生的蠕變以及疲勞積累.試驗結果亦表明:2種基材隔膜的阻抗隨著循環的持續時間的增加而增加，并且PP基材制得的隔膜阻抗較之PE基材制得的隔膜阻抗大，最終得到影響鋰離子電池內部阻力增加受基材阻抗變化的影響不大.

基材； 力學性能； 隔膜阻抗； 電化學性能

隨著鋰離子電池在各行各業的廣泛應用，對于鋰離子電池所進行的各項研究均得到了較大的發展，鋰離子電池的關鍵部件——隔膜的作用為過濾并阻止電池內電子通過，只有鋰離子可以自由通過隔膜的阻隔，而隔膜具有不盡相同的孔隙率、隔膜孔直徑以及不同的分布形式，因此，針對各類隔膜對于鋰離子電池性能的影響所做的研究大量被報道[1-3].

鋰離子電池在充放電的過程中，其內部極片會出現體積持續波動變化，這種波動會導致阻隔正負極片之間的隔膜發生力學形變，長時間的細微的力學形變可形成不可逆的力學形變，再者，在鋰離子電池充放電工作時所伴隨的各類主、副反應所造成的垃圾電子等物質會堵塞隔膜孔，使其孔徑變小，進而使其所具有的力學性能大幅下降[4-6]，這對于鋰離子電池工作時的安全性以及穩定性均造成較大的影響.而目前國內外大部分報道均圍繞如何將鋰離子隔膜的制造成本降低以及改變隔膜的制造配方以期改變其電學性能所展開的[7-9]，而對于鋰離子電池在進行充放電工作循環時，其內部變化的研究鮮有所見，在鋰離子電池的實際充放電過程中的力學性能與電化學性能受隔膜對隔膜在電池內部經歷不同循環之后的狀況鮮有研究.采用不同的加工制造工藝制得的鋰離子電池均具有差異較大的隔膜力學特性以及電化學性能的特點，這就需要對其力學特性以及電化學特性進行深入分析，才能對每一種采用不同工藝所制造加工的鋰離子電池性能進行分析.

1 實驗

1.1隔膜浸泡預處理本文將質量分數1‰的軟化水加入到隔膜的電解液中，將采用PE、PP基的隔膜分別置于3種工況下在DMC溶液中浸泡，浸泡完成后的隔膜處理潔凈以后自然風干，待用.

1.2隔膜工作以后的性能變化

1.2.1制作鋰離子電池 將采用PE、PP不同基質的隔膜所制造的電池，進行充放電的方法來對電池的各項性能進行測試，電池工作工況見表1.

1.2.2隔膜的力學性能測試 將工作了一段時間的電池進行拆解，隔膜上附著的電解液可由DMC清洗晾干后待用，將清洗后的電池隔膜制作成隔膜樣品，其寬度≤(13±0.05) mm，長度≥電池的長度，基于拉斷力實驗測試出隔膜所能承受的最大拉力；將風干以后的基材隔膜拉直，并且沿著四周均勻施加拉力，使其達到繃直的狀態，采用直徑為0.6 mm的鋒利的針以較大速度(100 mm/min)對隔膜進行穿刺，整理記錄數據并得到穿透隔膜所需施加力的最大值.

表 1 電池內部循環工況

注：本測試均采用恒流恒壓充電和恒流放電，電壓區間為2.0～3.65 V.

1.2.3隔膜的阻抗測試 隔膜阻抗測試樣品可在沖壓模具上得到，將其置于標準的氬氣體積分數100%的箱體中，基于電池的模擬安裝流程順序對模具、隔膜樣品、電池內部所選電解液進行組裝，最終得到模擬電池，并且靜置2 h，直至隔膜樣品被完全浸潤，并且基于設計的實驗對其進行阻抗測試.

2 結果與討論

2.1PE、PP基隔膜的電子掃描(SEM)圖片圖1為PE、PP基隔膜的電子掃描圖片，其中(a)表明采用濕法雙向拉伸方法制得的以PE為基礎的隔膜孔呈現近似橢圓形狀并且相鄰隔膜孔出現較大的重疊現象，(b)表明采用干法制得的以PP為基礎的隔膜孔呈現近似長方并且相鄰的隔膜孔并未發生大范圍的重疊現象.

(a) PE基隔膜

(b) PP基隔膜

2.2腐蝕性溶液對隔膜樣品性能的影響圖2～3表明以PE為基礎的隔膜樣品在具有腐蝕性的電解液以及加入去離子水的電解液中浸泡以后的沿著模擬電池方向的拉斷力的變化情況.

由圖2～3可知沿著模擬電池方向的隔膜拉斷力并沒有隨著隔膜在腐蝕性溶液中浸泡時間的增加而增加，拉斷力均在26～28 N范圍內穩定變化，亦不隨著腐蝕性溶液的溫度(-10、23、55 ℃)變化而發生大幅變化.說明電解液以及電解液加水的強腐蝕性對PE基材制得的鋰離子電池隔膜樣品沒有什么影響.

圖4表明了以PP為基礎的隔膜樣品浸泡在電解液以及添加去離子水的電解液等2種溶液中的沿著電池方向拉斷力的變化數據，圖4說明了鋰離子電池中常用的電解液以及添加去離子水的電解液對采用以PE、PP為基礎的隔膜樣品不具有腐蝕性，由此可得到電解液以及電解液加水的腐蝕性并未對鋰離子電池內部的隔膜力學性能以及電化學性能的衰減造成影響.

圖 2 PE隔膜經歷不同工況浸泡后TD方向拉斷力

圖 3 TD方向拉斷力曲線

表 2 循環后隔膜拉斷力降低率

2.3基材隔膜的力學性能表2表明了以PE、PP為基礎的隔膜樣品在3種工況下(表1所示3種工況)的全壽命周期內的充放電循環工作的力學特性.以PE為基礎的隔膜樣品在沿著電池呈現出下降趨勢，沿著電池方向的分別減小了0.48%、0.89%、5.48%，而以PP為基礎的隔膜樣品在表1所示的3種工況下，其沿著電池方向的拉斷力并沒有發生大幅度波動，這是由于PE基隔膜樣品在鋰離子電池充放電的循環工作過程中，隔膜兩邊的正極與負極的體積發生變化(膨脹或收縮)，從而引起了PE基隔膜發生蠕動性的力學形變，產生疲勞積累，最為直接的表現為PE基隔膜的力學性能下降幅度較大[3-5]，其下降值為本次試驗并沒有對以PP為基礎的隔膜樣品沿著電池方向進行拉伸，因此，其左右兩側的正負電極并沒有在沿著電池方向受到較大的拉斷力的影響，而電池周向方向上，PE基隔膜的拉斷力下降率分別為1.4%、6.89%、14.98%，PP基隔膜在表1所示的高溫循環以及常溫循環分別下降了4.23%、12.03%，未對PP基隔膜進行相應的力學性能試驗，這是因為其在低溫循環工作之后，拆解下的隔膜已被火融化，著火是因為PP基隔膜是基于干法制造的，其隔膜微孔的曲折度相對較小，在此低溫下循環工作時鋰離子會出現結晶并具有較多的分叉，電池經過拆解以后，其數量眾多的結晶分叉會與空氣中的水分結合發生劇烈的氧化反應，因此會導致無法對低溫循環下的PP基進行力學性能試驗，由圖1可以看出，以PE為基礎的隔膜樣品孔結構呈現較大范圍的曲折變化，因此，在對PE基隔膜的鋰離子電池進行拆解時，不會發生著火自燃等現象，綜上，PE基隔膜的力學性能要優于PP基隔膜的力學性能.

圖 4 PP隔膜經歷不同工況浸泡后TD方向拉斷力

圖 5 TD方向拉斷力曲線

圖 6 常溫循環和高溫循環后不同DOD情況下直流內阻增加情況

2.4基材隔膜的阻抗特性鋰離子電池在進行充放電的工作過程中均會對DC/AC內阻造成或多或少的增加，這種現象主要是由電池內部電解液等溶液減少、正負電極充注粉料的分散以及各種電子垃圾對隔膜樣品孔造成堵塞等因素引起的.

對隔膜樣品進行充放電工作直至其達到其最大壽命的循環工作過程進行了阻抗變化的實時數據采集(見表1).干法制得的PP基、厚度為30 μm的孔隙率為40.2%的隔膜鋰離子電池內部的直流電阻較之濕法制得的PE基、厚度為30 μm的孔隙率為40.2%的隔膜鋰離子電池內部具有較小的直流電阻.這是由PP基隔膜的曲折度與PE基隔膜孔所具有的曲折度相比，要小得多.PP、PE 2種隔膜在表1所示的常溫以及高溫循環過程中，PP為基礎的隔膜在周向具有較大的拉斷力，而在沿著電池方向未對其進行拉伸試驗，因此，圖6表明了隔膜孔在其循環往復的充放電過程中變小并且變化幅度較大.

DOD/%

圖 8 高溫循環前后電池直流內阻對比

綜上所述，PP為基礎的隔膜制得的電池內部的直流阻力均大于PE為基礎的隔膜制得的鋰離子電池內部的直流內阻.對鋰離子電池進行拆分以后表明(見圖7～10)，PP以及PE為基礎的隔膜在經過表1所示的高溫循環以后的正電極的厚度較之原來增加了11.31%、而負電極循環后的厚度較之原來增加了21.32%，2種基材料制得的隔膜在常溫工況下電極片則分別增加了6.2%和10.01%，并且正負電極在鋰離子電池進行高溫循環工作時出現大量的微小顆粒掉落的現象，其阻抗增加幅度較之常溫工況下充放電后隔膜所產生的阻抗增加幅度，這也間接的證明了高溫工況下充放電的鋰離子電池DC阻力增加幅度主要是由于正負電極片沒有壓緊以及腐蝕性溶液對于修復SEI膜具有較大的促進作用等2個方面的因素，而基材隔膜阻抗的增大不是導致電池DC內阻增加的主要原因.

圖 9 原始狀態PP基隔膜SEM

圖 10 常溫循環后PP基隔膜SEM

采用電化學測試方法(EIS)對PP、PE基隔膜的阻抗特性進行測試，EIS法所采用的等效電路擬合如圖11所示.

圖 11 等效電路擬合示意圖

表3表明在PP基隔膜充放電過程的溫度隨著由高溫工況到低溫工況下PP基隔膜的阻抗呈現較大幅度的遞增現象，這個現象不同于鋰離子電池內部DC內阻的增加幅度并且正好與其變化相反，對鋰離子電池進行拆解以后，拆解的電池可以清楚的看出在高溫工況下循環工作的基隔膜未有較為明顯的固體小顆粒，基隔膜在常溫工況以及低溫工況下充放電的過程中，其表面出現固體小顆粒，這是由于正負電極片沒有壓緊以及腐蝕性溶液能夠快速修復SEI膜等2個方面的因素.這些顆粒導致基隔膜孔徑變小，導致阻塞，這將使得PP基隔膜微孔的曲折度下降較快，并且被電極顆粒堵塞的機率大大增加以及隔膜的微孔變化范圍較大.

表 3 不同溫度循環至壽命終止后隔膜阻抗增加

3 結論

對PE、PP基兩種隔膜分別置于如表1所示的3種溫度工況下進行力學性能以及電化學性能的測試試驗，實驗結果得出：

1) 鋰離子電池電解液及含水鋰離子電池電解液具有極強的腐蝕性，而PE、PP隔膜浸泡其中具有較強的耐腐蝕性.

2) 隔膜所具有的力學性能在3種工況下充放電過程中均有所下降，PP基隔膜在沿著電池方向的拉斷力以及穿透力都沒有出現降低的現象，在電池周向的拉斷力呈現下降趨勢，下降幅度大于PE基隔膜的下降幅度，這是由于充放電過程中基隔膜產生力學蠕變以及最終產生疲勞積累.PE基隔膜在沿著電池方向以及周向的拉斷力以及穿透力都出現了一定程度上的下降，這是因為在對其進行雙向拉伸時，PE基隔膜在2個方向上都出現了力學微變以及疲勞積累.

3) PP、PE基隔膜在充放電工作過程中，正負電極在不同工況下循環時發生顆粒脫落，堵塞基隔膜微孔的現象，這將增加基隔膜的阻抗.并且PP基隔膜比PE基隔膜更加容易造成堵塞，從而導致其阻抗變化波動的范圍更寬，增大趨勢亦明顯，因為其微孔在力學性能下降的同時會引起其阻抗出現較大的變化波動.

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Research on the Changes of Mechanical and Electrochemical Characteristicsof PP and PE Separators in Whole Battery Cycle Life

LI Zhizhong, HA Liyuan

(DepartmentofInformationTechnologyandEngineering,XilingolVocationalCollege,Xilinhot026000,InnerMongolia)

In order to provide useful information for the selection of substrates (PP or PE), it is necessary to find out the mechanical and electrochemical characteristics. Based on the experimental method, the PP and PE substrates are comparatively studied. The result shows that it has more advantages in high corrosion resistance, the factors leading to decline sharply are creep and cumulative fatigue in the process of the lithium ion battery charge and discharge, and the impedances of PP substrates are bigger than PE substrates. Finally, it validates resistance doesn’t increased with impedances of substrates increased.

based material; mechanism property; separator impedance; electrochemical performance

2016-03-23

內蒙古少數民族非物質文化遺產傳承與創新研究項目(2016ZID037)

李治中(1963—)，男，副教授，主要從事膜材料的研究,E-mail:pincaoy@163.com

TS171

A

1001-8395(2017)05-0680-06

10.3969/j.issn.1001-8395.2017.05.020

(編輯 周 俊)