深入分析常见锂离子电池隔膜失效的原因和影响

发布时间：2020-09-27

来源：罗姆半导体社区 (https://rohm.eefocus.com)

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锂离子电池是备受关注的21世纪理想能源，但其在生产、运输和使用过程中存在一些失效问题。这些问题不仅会影响单个电池的性能和可靠性，还可能导致整个电池组停止工作或引发安全问题。

锂离子电池隔膜失效的原因

锂离子电池由正、负极极片、隔膜、电解液、外壳及正负极端子组成，其中隔膜在电池内部扮演重要角色。隔膜需要实现正负极之间的电子绝缘，并保持一定的孔隙率，以允许电解液中的离子穿过隔膜，在正负极之间往复运动。除了满足这些基本要求外，隔膜还必须具备安全性能。充放电循环过程中，负极表面可能形成锂枝晶，当锂枝晶尖锐且发展到一定程度时，可能穿透隔膜导致正负极短路，释放大量热量，从而引发锂离子电池的热失控，造成严重的安全事故。另外，当电池受到挤压或针刺时，局部短路点会释放大量热量，导致隔膜收缩并使正负极大面积接触，直接引发电池的起火爆炸。因此，隔膜对锂离子电池的性能和安全性至关重要。

隔膜材料形貌和成分的检测

隔膜中孔隙的大小和分布决定了锂离子在正负极之间的迁移能力，而通电前后隔膜材料的成分差异则反映了电解液对隔膜的影响。

锂枝晶的检测

锂枝晶的生长会导致锂离子电池在循环过程中电极和电解液界面的不稳定，破坏形成的固体电解质界面（SEI）膜。锂枝晶的生长过程会消耗电解液并导致金属锂的不可逆沉积。锂枝晶的形成甚至可能穿透隔膜，导致锂离子电池内部发生短路，进而引发电池的热失控和燃烧爆炸。

为了满足锂离子电池隔膜在性能和安全性方面的要求，人们研发了多种复合隔膜。一种常见的复合隔膜是PP-PE-PP三层结构，其中PE层在高温下会熔化，而两侧的PP层具有较高的熔点，起到支撑作用，熔化的PE层会堵塞孔隙，从而阻断放电。另外，陶瓷涂层隔膜也被开发出来，它在普通隔膜基体上涂布无机氧化物，如Al2O3，在高温下提供支撑作用，减少隔膜收缩，提高锂离子电池的安全性。

近期，麻省理工学院的Xiaowei Zhang等团队对多种隔膜进行了机械性能测试，分析导致隔膜失效的机械参数。他们研究了干法制备的PE隔膜、三层复合隔膜，湿法制备的陶瓷涂层隔膜以及无纺布制备的隔膜。实验包括单向拉伸强度测试（纵向、横向和对角线方向）、厚度压缩实验和穿刺实验，揭示了不同隔膜的失效机械参数。研究团队建立了PE隔膜的有限元模型，并成功预测了该隔膜在单向拉伸和厚度压缩实验中的反馈结果。

在拉伸实验中，干法制备的PE隔膜和三层复合隔膜在各个方向上的抗拉强度存在较大差异。例如，在纵向（MD）上，抗拉强度超过120MPa，而在横向（TD）和对角线方向上仅为20MPa左右。湿法制备的隔膜在各个方向上表现出类似的抗拉强度（超过140MPa），而无纺布制备的隔膜具有最低的抗拉强度（约35MPa），虽然在纵向和横向上强度相似，但对角线方向上明显较弱。

对于厚度压缩性能的测试，研究者将隔膜卷绕成圆柱形结构，施加逐渐增加的压力进行测试。干法制备的PE和三层复合隔膜在轴向上发生变形，成为椭圆形，而湿法制备的陶瓷涂层隔膜和无纺布制备的隔膜保持圆形结构。这主要是由于干法隔膜的各向异性较大，而湿法隔膜和无纺布隔膜在各个方向上的抗拉强度接近所致。压力加载过程中，PE隔膜和三层复合隔膜在约20MPa左右出现明显的屈服点，且应变较大，而湿法工艺隔膜和无纺布隔膜未出现明显的屈服点。

关键词：罗姆电池管理