中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：隔膜作為鋰電池的重要組成部件，對(duì)阻隔電子通過(guò)防止短路和保證內(nèi)部離子透過(guò)使電池高效、穩(wěn)定、安全地運(yùn)行具有重要意義。雖然隔膜自身未發(fā)生任何的電化學(xué)反應(yīng)，但其結(jié)構(gòu)和性能卻影響電池的界面結(jié)構(gòu)和內(nèi)阻等，進(jìn)而影響電池整體的容量、充放電電流密度、循環(huán)性能以及安全性等。
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本文通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外電池隔膜測(cè)評(píng)標(biāo)準(zhǔn)的歸納和整理，較為全面系統(tǒng)地介紹各測(cè)試項(xiàng)目，包括其原理、現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)及測(cè)試方法等，并對(duì)其進(jìn)行相關(guān)評(píng)述，以期為隔膜行業(yè)和相關(guān)科研機(jī)構(gòu)對(duì)電池隔膜的檢測(cè)提供一定的參考。
1. 隔膜的主要性能指標(biāo)
參考美國(guó)先進(jìn)電池聯(lián)盟(USABC)對(duì)鋰離子電池隔膜性能參數(shù)的規(guī)定，電池隔膜性能大致可以分為理化特性、力學(xué)性能、熱性能及其電化學(xué)性能4個(gè)方面。
其中，理化特性包括厚度、孔隙率、平均孔徑大小與孔徑分布、透氣性、曲折度、潤(rùn)濕性、吸液率、化學(xué)穩(wěn)定性8項(xiàng)參數(shù)；力學(xué)性能主要包括穿刺強(qiáng)度、混合穿刺強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度3項(xiàng)參數(shù)；熱性能包括熱閉合溫度、熔融破裂溫度和熱收縮率3項(xiàng)指標(biāo)；電化學(xué)性能包括線性伏掃描測(cè)試(LSV)、電化學(xué)阻抗譜測(cè)試(EIS)、循環(huán)性能(CP)、離子電導(dǎo)率和Mac-Mullin值5項(xiàng)參數(shù)。
2. 隔膜的理化特性
2.1 厚度
厚度是鋰電池隔膜最基本的參數(shù)之一，通常和鋰離子的透過(guò)性成反比、跟隔膜的力學(xué)性能成正比，故在滿足機(jī)械強(qiáng)度的條件下應(yīng)盡可能減小隔膜厚度以提升電池性能。
目前隔膜中以16、18、20、25、30μm等厚度較為普遍，根據(jù)電池不同的用途，其隔膜厚度也有相應(yīng)的差異。電子數(shù)碼產(chǎn)品的電池隔膜厚度較小，16μm和18μm較為理想，但以25μm較為常見(jiàn)；混合動(dòng)力汽車(chē)和電動(dòng)汽車(chē)上大功率、大電流電池的隔膜則需要較大的厚度，一般為40μm及以上。
目前關(guān)于厚度測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)主要有GB/T 6672-2001《塑料薄膜與薄片厚度的測(cè)定機(jī)械測(cè)量法》、GB/T 20220-2006(塑料薄膜和薄片樣品平均厚度、卷平均厚度及單位質(zhì)量面積的測(cè)定稱(chēng)量法(稱(chēng)量厚度)》、ASTM D374M-13《Standard Test Methods for Thickness of S olid Electrical Insulation》、DIN 53370：2006(Testing of Plastics Films- Determination of the Thickness by Mechanical Scanning)和JIS Z1702-1994(包裝用聚乙烯薄膜》等。
由于電池隔膜大都以聚合物作為制造材料，質(zhì)地柔軟，在測(cè)量厚度時(shí)應(yīng)盡可能減小接觸壓力對(duì)隔膜形變的影響。尤其是在 實(shí)驗(yàn)室中利用小型手持式測(cè)厚儀進(jìn)行測(cè)量時(shí)，若接觸壓力過(guò)大可能因變形而使測(cè)量結(jié)果失真，因此可借助非接觸式測(cè)厚儀進(jìn)行測(cè)量。非接觸式測(cè)厚儀可以做到快速、無(wú)損測(cè)量，但測(cè)試是基于光學(xué)原理的點(diǎn)測(cè)量，相對(duì)于接觸式的面測(cè)量而言較容易受到隔膜孔隙結(jié)構(gòu)的影響，測(cè)試結(jié)果波動(dòng)較大，不利于平均厚度的測(cè)量。
2.2 孔隙率
孔隙率是影響隔膜電化學(xué)性能的一個(gè)重要參數(shù)，理論上其余的參數(shù)如透氣度、吸液率、電化學(xué)阻抗等都與此相關(guān)?？紫堵时欢x為隔膜中微孔的體積與隔膜總體積的比值，目前隔膜生廠商所控制的孔隙率大都為25％-85％，隔膜中的微孔一般為通孔、盲孔和閉孔這3類(lèi)。目前，隔膜孔隙率的測(cè)試方法主要有吸液法、計(jì)算法和儀器測(cè)試法。
吸液法
吸液法由于簡(jiǎn)單易行，適合在實(shí)驗(yàn)室中測(cè)量，但測(cè)試結(jié)果和隔膜在液體中的浸潤(rùn)性有關(guān)系，因此在測(cè)試時(shí)盡可能選取容易和隔膜相潤(rùn)濕的溶劑，一般選用無(wú)水乙醇、十六烷、正 丁醇等。以無(wú)水乙醇進(jìn)行測(cè)試時(shí)要先稱(chēng)量干膜質(zhì)量μ0，將隔膜完全浸泡在無(wú)水乙醇中一定時(shí)間，然后快速將隔膜取出，用濾紙輕輕擦隔膜表面的無(wú)水乙醇，再稱(chēng)取濕膜質(zhì)量μ。根據(jù)式(1)計(jì)算，即可得到隔膜的孔隙率(ε)。式(1)中，ρ、ρ0分別為隔膜材料和無(wú)水乙醇的密度。
計(jì)算法
計(jì)算法是目前大多數(shù)隔膜生廠商所選用的測(cè)試方法，僅需要知道基體質(zhì)量和材料尺寸等參數(shù)，利用式(2)可計(jì)算得出結(jié)果。
式(2)中，P為孔隙率，M為樣品質(zhì)量，V為樣品體積，ρ為樣品密度。該方法中所使用的樣品密度可以采用原材料的密度、真密度儀測(cè)量或注塑方法測(cè)量的結(jié)果。不同的密度選取標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)不同的孔隙率，一般原材料和注塑方法測(cè)量的結(jié)果包含通孔、盲孔和閉孔3種孔隙結(jié)構(gòu)，而利用真密度儀測(cè)量的結(jié)果則不包含閉孔結(jié)構(gòu)。
儀器測(cè)試法
儀器測(cè)試法精確度高，但需要采用特殊的儀器設(shè)備，因儀器設(shè)備價(jià)格昂貴，測(cè)試和使用費(fèi)用較高，目前只限于大型隔膜廠商和部分有條件的科研團(tuán)隊(duì)使用。常用的儀器設(shè)備有 PMI公司的毛細(xì)管流動(dòng)分析儀、壓汞儀和壓水儀等，測(cè)量結(jié)果和測(cè)量原理、實(shí)驗(yàn)條件等 密切相關(guān)，可以有效測(cè)量隔膜的孔徑、孔徑分布、最大孔徑、孔數(shù)分布、氣體滲透率、液體滲透率、表面積、完整性等細(xì)微參數(shù)，對(duì)隔膜微觀結(jié)構(gòu)的分析大有裨益。
由于壓汞儀需要用到汞，存在一定的毒性，而且對(duì)測(cè)試樣品采取破壞性測(cè)試，因此逐漸被環(huán)保無(wú)害、無(wú)損性測(cè)試的壓水儀取代。目前，主要測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)有GB／T 21650．2-2008《壓汞法和氣體吸附法測(cè)定固體材料孔徑分布和孔隙度第2部分：氣體吸附法分析介孔和大孔》和ASTMD2873-94el《Standard Test Method forInterior Porosity of Poly(Vinyl Chloride) (PVC) Resins by Mercury Intrusion Porosimetry》。
2.3 平均孔徑大小與孔徑分布
為了使電池能夠持續(xù)、穩(wěn)定地運(yùn)行，要求電池中的電流密度均一平穩(wěn)，因此要求隔膜需要有適合的孔徑大小和孔徑分布 。若孔徑過(guò)小，鋰離子的透過(guò)性會(huì)受到限制，從而使電池的內(nèi)阻增大，降低了電池的整體性能；若孔徑太大，在增加鋰離子透過(guò)性的同時(shí)，也容易受到鋰離子枝晶生長(zhǎng)刺穿隔膜的影響，從 而導(dǎo)致短路甚至是爆炸等安全問(wèn)題。
根據(jù)USABC的要求，鋰離子隔膜的孔徑應(yīng)小于1μm。目前大多數(shù)隔膜的平均孔徑可以達(dá)到0.01～0.05μm，孔徑分布越窄、越均勻，電池的電性能越優(yōu)異?？讖降拇笮『头?布目前主要采用掃描電子顯微鏡(SEM)直接觀測(cè)，或者利用PMI公司的毛細(xì)管流動(dòng)孔隙儀或壓汞儀等設(shè)備直接測(cè)量。利用儀器測(cè)試孔徑大小的基本方式和原理如下：
①用液體將待測(cè)隔膜孔道完全潤(rùn)濕填滿，因毛細(xì)現(xiàn)象使得孔內(nèi)形成正壓
②將隔膜放入密閉槽中，用氣體壓力加壓將液體由毛細(xì)孔道內(nèi)擠出
③根據(jù)在單一孔道中的液體完全由毛細(xì)孔道內(nèi)擠出時(shí)所施壓力與孔道直徑的相對(duì)關(guān)系，依照Laplace方程可得隔膜孔徑，Laplace方程如式(3)所示。
式(3)中，d為孔直徑，⊿P為壓力，γ為液體表面張力，θ為隔膜和液體的接觸角。不同壓力時(shí)隔膜中的液體會(huì)被陸續(xù)擠出并產(chǎn)生一定的氣體穿透流量，可根據(jù)壓力和流量變化的關(guān)系來(lái)計(jì)算孔徑大小及孔徑分布 。
目前主要的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)有ASTM F316-03《Standard Test Methods for Pore Size Characteristicsof Membran e Filters by Bubble Point and MeanFlow Pore Test》和 ASTM E1294-89(1999）《Standard Test Method for Pore Size Characteristics of Membrane Filters Using Automated Liquid Porosimeter》等。
2.4 透氣性
透氣性是表征隔膜氣體透過(guò)能力的一個(gè)指標(biāo)，能夠間接地反映離子的透過(guò)性，隔膜行業(yè)通常用Gurley值作為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，是指將隔膜置于透氣度檢測(cè)儀內(nèi)，一定體積的空氣在一定的壓力下透過(guò)規(guī)定面積隔膜的時(shí)間。
目前隔膜行業(yè)中多采用日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，即在1.22kPa壓力下測(cè)試100mL空氣通過(guò)1平方英 寸隔膜所需要的時(shí)間。因此，Gurley值的大小與氣體的透過(guò)性成負(fù)相關(guān)。Gurley值的檢 測(cè)可以參照 ASTM D726-94(2003)《Startdard Test Method for Resistance of Nonporous Paper to Passage of Air)，ISO 5636-5：2013《Paper and Board Determ ination of Air Perm eance(Medium Range)Part5：Gurley Method》等標(biāo)準(zhǔn)，通常使用Gurley 4110N型透氣度檢測(cè)儀進(jìn)行檢測(cè)。此外，常用的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)還有 ISO 15105-1：2007《Plastics-Film and Sheeting-Determination of Gas-transmission Rate-Part 1：Diferential pressure Methods》，GB／T1038-2000《塑料薄膜和薄片氣體透過(guò)性試驗(yàn)方法 壓差法》，ASTM D1434-82（2003)《Standard Test Method for Determining Gas Permeability Characteristics of Plastic Film and Sheeting》等。
各標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試方法有一定差別，但其原理基本相同，僅氣體透過(guò)量有差別，因此執(zhí)行不同標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試所得結(jié)果仍可通過(guò)換算得到統(tǒng)一的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。根據(jù)USABC的標(biāo)準(zhǔn)，Gurley值應(yīng)要求小于35s/10立方零米。此外，因?yàn)镚urley值的大小依賴(lài)于空氣通過(guò)隔膜中多孔結(jié)構(gòu)流動(dòng)的方式，所以能夠從一定程度上反映隔膜內(nèi)部孔隙的曲折程度，當(dāng)隔膜的孔隙率和厚度都確定時(shí)，通過(guò)比較Gurley值可以大致評(píng)估隔膜孔隙的曲折度。同時(shí)文獻(xiàn)也表明透氣度均一、穩(wěn)定的隔膜對(duì)提升電池的使用性能具有重要意義。
2.5 曲折度
曲折度是隔膜中有效毛細(xì)管的平均長(zhǎng)度(即離子實(shí)際通過(guò)的路程)與隔膜厚度的比值，其理論表達(dá)式如式(4)所示。
式(4)中，ls是粒子透過(guò)隔膜的路程，d為隔膜的厚度。由于離子實(shí)際透過(guò)隔膜的路程難 以測(cè)量，通常利用式(5)近似計(jì)算得到隔膜的孔道曲折度。
式(5)中，Nm為Mac-Mullin值，ε為孔隙率。曲折度可用于表征電池隔膜這類(lèi)多孔性物質(zhì)的微觀孔隙結(jié)構(gòu)，能夠反映隔膜的透過(guò)性，并用于描述鋰離子透過(guò)隔膜的難易程度 。
圖1是不同曲折度隔膜示意圖。從圖1(a)可以看出當(dāng)曲折度τ=1時(shí)，隔膜孔隙呈理想的平行網(wǎng)柱通道，鋰離子可輕易穿梭，此時(shí)電池的內(nèi)阻最低；從1(b)可以看出當(dāng)τ>1時(shí)，隔膜孔隙呈曲折狀態(tài)，鋰離子在隔膜中穿梭路徑變長(zhǎng)，降低了鋰離子在正、負(fù)極材料之間往返的速率，因此電池的內(nèi)阻增大，同時(shí)還容易誘導(dǎo)鋰離子枝晶的生長(zhǎng)而刺破隔膜，引起安全隱患。
圖1 不同曲折度隔膜示意圖
2.6 潤(rùn)濕性和潤(rùn)濕速度
隔膜的潤(rùn)濕性和潤(rùn)濕速度對(duì)于鋰離子電池的運(yùn)行具有重要的意義。為高效傳遞鋰離子，位于正、負(fù)極材料之間的隔膜須和電解液充分接觸，并且具備持久的電解液保持能力，反之則會(huì)使電池內(nèi)阻增大，降低其使用性能。
通常，隔膜的潤(rùn)濕性和其所用材料的性質(zhì)特點(diǎn)有關(guān)，親水性材料較疏水性材料潤(rùn)濕性好，因此可以使用接觸角測(cè)試儀對(duì)隔膜表面與電解液的接觸角進(jìn)行測(cè)，通過(guò)接觸角的大小即可直接比較潤(rùn)濕性的好壞。
潤(rùn)濕速度則反應(yīng)了隔膜在電解液中完全潤(rùn)濕所需要的時(shí)間(或單位時(shí)間內(nèi)隔膜被潤(rùn)濕的面積)，不僅和隔膜的材質(zhì)(主要是表面張力大小)有關(guān)，同時(shí)也受孔大小、孔隙率和曲折度等的影響。雖然沒(méi)有特定的測(cè)試方法，但仍然可以采用較為簡(jiǎn)單的方法對(duì)其表征。可以將一定體積的電解液滴落在隔膜表面，然后觀察電解液在隔膜中完全擴(kuò)散所需要的時(shí)間 ；或者將隔膜垂直懸掛于電解液上方(一部分浸沒(méi)在電解液中)，再觀察電解液上升的高度。
圖2展示了不同隔膜的接觸角測(cè)試圖和懸掛吸液結(jié)果，從圖2可以看出，隔膜的潤(rùn)濕性與潤(rùn)濕速度具有很好的關(guān)聯(lián)性，即隔膜的潤(rùn)濕性越好其電解質(zhì)接觸角越小，同時(shí)潤(rùn)濕速度 也越快(單位時(shí)間內(nèi)吸收的電解液越多，電解液上升的高度越大)。相比于接觸角測(cè)試，懸掛吸液法由于不必借助測(cè)試儀器，且操作簡(jiǎn)單，在沒(méi)有接觸角測(cè)試儀的情況下可作為一種簡(jiǎn)單快速的檢測(cè)手段 。若有接觸角測(cè)試儀則可兩種方法配合使，一同驗(yàn)證。
圖2 不同隔膜的接觸角測(cè)試圖和電解液吸收高度
2.7吸液率
吸液率的測(cè)定日前尚無(wú)特定的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，具體可以參考QB/T 2303．11-2008《電池川漿層紙 第11部分：吸液率的測(cè)定》或 SJ/T l0l71．7- l991《隔膜吸堿率的測(cè)定》進(jìn)行測(cè)定。雖然這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)并非針對(duì)鋰離子電池隔膜 ，但測(cè)試原理仍適用。因此，鋰電池隔膜吸液率可通過(guò)式(6)進(jìn)行算。
式(6)中，m0和m分別為隔膜浸泡前后的質(zhì)量。
考慮到電解液的毒性和揮發(fā)性，實(shí)際測(cè)試時(shí)可采用與隔膜潤(rùn)濕性較好的有機(jī)溶劑進(jìn)行測(cè)定，如無(wú)水乙醇、正丁醇、環(huán)己烷等、由于吸液率的測(cè)定結(jié)果波動(dòng)較大，應(yīng)重復(fù)測(cè)試多次并取平均值，此外操作過(guò)程中應(yīng)該保持各次測(cè)試變量的一致性以減少誤差 。
2.8 化學(xué)穩(wěn)定性
化學(xué)穩(wěn)定性主要是指隔膜電解液中的耐腐蝕性和尺寸穩(wěn)定性。由于電解液中含有大量有機(jī)物質(zhì)，因此要求隔膜在浸潤(rùn)時(shí)不能和電解液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，同時(shí)要求有較好的尺寸穩(wěn)定性，不發(fā)生脹縮和變形。目前尚無(wú)隔膜化學(xué)穩(wěn)定性的相關(guān)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，但要求用于制造隔膜的材料能夠保證電池長(zhǎng)時(shí)間正常使用。
具體的測(cè)試方法并無(wú)統(tǒng)一規(guī)定，例如在實(shí)驗(yàn)室中可將一定質(zhì)量和尺寸的隔膜浸沒(méi)到50℃的電解液中5h左右，然后取出隔膜，洗凈并干燥后重新稱(chēng)量和測(cè)量尺寸，比較浸泡前后隔膜質(zhì)量和尺寸的變化。目前市售鋰電池隔膜中PE和PP隔膜均能滿足化學(xué)穩(wěn)定性要求，因此無(wú)須進(jìn)行化學(xué)穩(wěn)定性測(cè)試，而對(duì)于其他新開(kāi)發(fā)的隔膜則有必要通過(guò)此測(cè)試探究其化學(xué)穩(wěn)定性。
3 力學(xué)性能
3.1 穿刺強(qiáng)度
鑒于隔膜生產(chǎn)過(guò)程中的蜷曲纏繞和包裝，電池的組裝和拆卸，以及實(shí)際使用中反復(fù)充放 電等因素，要求隔膜必須具備一定的物理強(qiáng)度以克服上述過(guò)程中的物理沖擊、穿刺、磨損和壓縮等作用帶來(lái)的損壞，因此需要考察隔膜的穿刺強(qiáng)度。具體測(cè)試方法可以參照 ASTM D3763-10《Standard TestM ethod for High Speed Puncture Properties of Plastics Using Load and Displacement Sensors》和ASTM F1306-90《Standard Test Method for Slow Rate Penetration Resistance of Flexible Barrier Films and Laminates》等標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)試結(jié)果和穿刺針的規(guī)格、穿刺的速度以及夾具的尺寸大小有關(guān)系。根據(jù)大量的試驗(yàn)和觀察，USABC對(duì)于鋰離子電池隔膜的穿刺強(qiáng)度規(guī)定了指標(biāo)，即測(cè)試結(jié)果不可以小于300g/mil (1mil=25.4 μm)。
3.2 混合穿刺強(qiáng)度
混合穿刺強(qiáng)度測(cè)試的是電極混合物刺穿隔膜造成短路時(shí)隔膜所受到的力，方法可以參照NASATM 2010-216099《Battery Separator Characterization and Evaluation Procedures for NASA’S Advanced Lithium-ion Bateries》或 GB/T 21302—2007《包裝用復(fù)合膜、袋通則》。
混合穿刺強(qiáng)度一般用于電池發(fā)生短路概率的評(píng)估，由于鋰離子電池的隔膜與正、負(fù)極的粗糙表面有接觸，在電池的組裝和使用過(guò)程中，電極表面有可能將隔膜刺穿，因此混合穿刺強(qiáng)度相對(duì)穿刺強(qiáng)度而言是一種動(dòng)態(tài)的指標(biāo)參數(shù)。USABC規(guī)定，鋰離子電池隔膜的混合穿刺強(qiáng)度應(yīng)大于100kgf／mil (1kgf=9．8N、1mil=25.4 μm)。
3.3 拉伸強(qiáng)度
拉伸強(qiáng)度是反映隔膜在使用過(guò)程中受到外力作用時(shí)維持尺寸穩(wěn)定性的參數(shù)，若拉伸強(qiáng)度不夠，隔膜變形后不易恢復(fù)原尺寸會(huì)導(dǎo)致電池短路。通常參照GB／T 1040．3-2006《塑料拉伸性能的測(cè)試》和ASTM D882-10《Standard Test Method for Tensile Properties of Thin Plastic Sheeting》對(duì)隔膜的拉伸強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試過(guò)程中要注意夾具間距、拉伸速率以及試樣尺寸等參數(shù)的設(shè)定。USABC規(guī)定，隔膜的拉伸強(qiáng)度須滿 足如下條件：即當(dāng)施加1000psi的外力時(shí)，隔膜的偏置屈服應(yīng)小于2％。
4 熱性能
4.1 熱閉合溫度
熱閉合效應(yīng)是隔膜對(duì)鋰電池的一種特殊保護(hù)機(jī)制，即當(dāng)電池的使用溫度過(guò)高時(shí)，隔膜會(huì) 自動(dòng)將原來(lái)可以讓鋰離子自由透過(guò)的微孔閉合，阻止鋰離子在正、負(fù)極之間的交換，使 電池內(nèi)阻增大，從而避免了因溫度過(guò)高和電流過(guò)大而造成的短路甚至是爆炸的危險(xiǎn) 。
但是隔膜的閉合性是單向不可逆的，即一旦發(fā)生自閉合效應(yīng)，電池便報(bào)廢、不再具有使用價(jià)值。隔膜通常采用聚合物作為基材，因此當(dāng)電池的溫度達(dá)到了隔膜基材的熔點(diǎn)時(shí)，聚合物熔融流動(dòng)，從而導(dǎo)致原有的微孔結(jié)構(gòu)閉合，即基材的熔點(diǎn)一般為隔膜的熱閉合溫度。目前市售隔膜中，PP單層隔膜的熱閉合溫度為160-165℃，PE單層隔膜的熱閉合溫度為130-135℃。
熱閉合溫度的測(cè)量主要依靠差示掃描量熱法(DSC)和電阻突變法，圖3是3種隔膜的DSC測(cè)試圖，圖4是Celgard 2325(PP／PE／PP)隔膜電阻隨溫度的變化曲線 。
圖3 Celgard 2730(PE)、Celgard 2400(PP)、Celgard 2325(PP／PE／PP)隔膜 的DSC測(cè)試圖
圖4 Celgard 2325隔膜電阻隨溫度變化 曲線
從圖3和圖4中可分別發(fā)現(xiàn)，在熱閉合溫度附近有熔融峰的出現(xiàn)和電阻的突變。電阻突變法即在升溫的條件下測(cè)試電池的電阻，當(dāng)電阻瞬間升高時(shí)所對(duì)應(yīng)的的溫度便是隔膜的熱閉合溫度。具體操作過(guò)程可以參考UL 2591-2009《Standard for safety Outline of Investigation for Battery Separators》和INASA TM 2010-2l6099
4.2 熔融破裂溫度
隔膜的熔融破裂溫度是指溫度達(dá)到熱閉合溫度后進(jìn)一步上升，隔膜基材由于高溫熔融而處于黏流狀態(tài)，力學(xué)性能下降并自發(fā)破裂時(shí)的溫度。由于隔膜破裂等效于電路中發(fā)生了短路，因此電池的電阻將下降為零。熔融破裂溫度可以采用電阻突變法進(jìn)行測(cè)定，即測(cè)試過(guò)程中電阻為零時(shí)所對(duì)應(yīng)的溫度，或者利用熱機(jī)械分析法(TMA)進(jìn)行測(cè)定。TMA法可以參照 NASA TM 2010-216099測(cè)定，該辦法除可測(cè)熔融破裂溫度外還可以獲得隔膜 的收縮起始溫度等信息(如表1所示 ) 此外，還可以在隔膜上附著一定質(zhì)量的物體，再將隔膜置于程序升溫環(huán)境中，通過(guò)觀察重物掉落時(shí)的溫度來(lái)大致估算熔融破裂溫度。
表1 Celgard不同隔膜TMA數(shù)據(jù)
例如，單層PP膜的熔融 裂溫度比單層PE膜高約30℃，三層PP／PE／PP復(fù)合膜的閉孔 度和單層PE膜接近而熔融破裂溫度卻與單層PP膜相近，表明三層復(fù)合隔膜在較低的溫度下閉孔后仍有30℃左右的溫度范圍保持較高的電阻，從而保證電池的安全。
4.3 熱收縮率
由于在高溫下隔膜易發(fā)生收縮形變，因此可以通過(guò)熱收縮率來(lái)表征隔膜高溫下的尺寸穩(wěn)定性。例如，單層的PE隔膜放置在120℃下僅10min就有近10%的熱收縮，對(duì)于鋰離子電池隔膜而言，其熱收縮率在90℃下放置60min時(shí)應(yīng)小于5％。
當(dāng)前隔膜行業(yè)對(duì)熱收縮率的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)主要有GB／T 135l9-2016《包裝用聚乙烯熱收縮薄膜》、ASTM D 2732-08《Standard Test Method for Unrestrained Linear Thermal Shrinkage of PlasticFilm and Sheeting》、ISO 14616：2004《Plastics Heatshrinkable Films of Polyethylene， Ethylene Copolymers and Their M ixtures-Detenninat of Shrinkage Stress and Contraction Stress》、DIN53369：1976《Testing of Plastic Films；Determination of the Shrinking Stress》等。此外，還可以在實(shí)驗(yàn)室根據(jù)一定溫度下隔膜面積的收縮值與原始面積之比簡(jiǎn)單估算，可用式(7)計(jì)算
式(7)中，S0是隔膜加熱前的面積，S是隔膜加熱發(fā)生收縮后的面積。例如，圖5為實(shí)驗(yàn)室 中普通PE膜和經(jīng)勃姆石表面涂覆的PE膜在不同溫度下放置30min后的熱收縮對(duì)比圖，從隔膜熱處理后的面積大小可以判斷熱收縮性能，但具體的熱收縮率需借助式(7)計(jì)算。
圖5 普通PE膜和經(jīng)勃姆石表面涂覆的PE膜在不同溫度下的熱處理對(duì)比圖
總體來(lái)說(shuō)，實(shí)驗(yàn)室條件下隔膜熱收縮率的計(jì)算并不能達(dá)到精準(zhǔn)的程度，但基本能夠滿足定性分析的要求，且簡(jiǎn)單易行，只要保證同一批次隔膜的測(cè)試條件一致即可。
5 電化學(xué)性能
5.1 線性伏安掃描測(cè)試(LSV)
為了研究隔膜的電化學(xué)穩(wěn)定性，通常對(duì)其進(jìn)行線性伏安掃描測(cè)試。具體的操作方法是將隔膜夾在不銹鋼片和金屬鋰片之間，組裝成為扣式電池，其中不銹鋼片作為工作電極、金屬鋰片作為參比電極，并用IVIUM電化學(xué)工作站對(duì)其測(cè)試。通常可以采用1.0mV／s的掃描速率，電壓則可以從開(kāi)路設(shè)置到6.0V。
5.2 電化學(xué)阻抗譜測(cè)試(EIS)
電化學(xué)阻抗譜是研究電化學(xué)界面過(guò)程的重要方法，被廣泛應(yīng)用于研究鋰離子在碳材料和過(guò)渡金屬氧化物中的嵌入和脫出過(guò)程，同時(shí)也被用于研究電池中隔膜對(duì)鋰離子透過(guò)性的影響。一般情況下，用交流法測(cè)量的電化學(xué)阻抗譜圖中，可以得到電池的內(nèi)阻(和隔膜 的電阻有關(guān))，因此可以用此方法得到電池的電荷轉(zhuǎn)移電阻。采用IVIUM電化學(xué)工作站測(cè)試，頻率為0.1Hz一100kHz。
5.3 循環(huán)性能(CP)
電池的循環(huán)性能主要由循環(huán)次數(shù)、首次放電容量和保留容量3個(gè)指標(biāo)來(lái)衡量。電池連續(xù)重復(fù)進(jìn)行多次的充放電行為稱(chēng)為循環(huán)充放電，電池循環(huán)充放電的次數(shù)稱(chēng)為循環(huán)次數(shù)；首次放電容量是指電池完全充滿電后第一次的放電容量；保留容量是指完成一定次數(shù)的循環(huán)充放電后，電池依舊保持的放電容量。通常至少循環(huán)100次以后，得到的循環(huán)性能的數(shù)據(jù)才有說(shuō)服力。因此，隔膜的性能優(yōu)劣，直接影響到電池的循環(huán)性能。
5.4 離子電導(dǎo)率
離子電導(dǎo)率和離子電阻率互為倒數(shù)，實(shí)際測(cè)試得到的通常是電池的離子電阻，即體積電阻。而試驗(yàn)測(cè)試得到的離子電阻(Rb)是隔膜電阻(Rs)與電池中電解液的電阻(Re)之和，如式(8)所示 。
為便于計(jì)算，可忽略Re的影響，近似地認(rèn)為Rs=Rb，再根據(jù)式(9)和(10)即可求得隔膜 的電導(dǎo)率(σs)。
式(9)～(10)中 ，ρs是隔膜的電阻率，為隔膜的有效面積(即電極片的面積)，d為隔膜的平均厚度。因此隔膜的電導(dǎo)率(σs)如式(11)所示 。
5.5 Mac-Mullin值
Mac-Mullin值(Nm)是指在飽和電解液中的多孔介質(zhì)的電阻與相同體積的飽和電解液電阻的比值。因?qū)嶋H測(cè)得的電池體積電阻(Rb)也包含了隔膜的電阻(Rs)和電解液的電阻(Re)，因此只需再測(cè)量電解液的電阻值(Re)即可根據(jù)式 (12)計(jì)算Nm。
因此，Mac-Mullin值實(shí)際上比離子電導(dǎo)率更能夠說(shuō)明隔膜對(duì)鋰離子的透過(guò)性，因?yàn)樗穗娊庖旱挠绊憽?
