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在鋰離子電池的內(nèi)部，隔膜不僅要避免正負(fù)極之間接觸，達(dá)到電子絕緣的效果，還要保持一定的孔隙率允許電解液中的離子穿過隔膜，在正負(fù)極之間往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

根據(jù)生產(chǎn)工藝的不同， 一般分為干法隔膜和濕法隔膜， 其中干法又可分為干法單拉隔膜和干法雙拉隔膜，或者干法單層隔膜和干法多層隔膜。

干法拉伸工藝制備的隔膜在各個(gè)方向上的強(qiáng)度有著很大的各向異性，例如干法拉伸工藝隔膜在縱向MD上的抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到140MPa以上，但是在橫向TD和對(duì)角線方向上的抗拉強(qiáng)度僅僅>20MPa，兩個(gè)方向上的抗拉強(qiáng)度存在很大的差異。

由于上述測試都是在單軸向拉力下測得的數(shù)據(jù)，與鋰離子電池在遭受擠壓時(shí)，多軸向同時(shí)受力的情形不同，因此由上述實(shí)驗(yàn)得到的隔膜抗拉強(qiáng)度數(shù)據(jù)也無法準(zhǔn)確預(yù)測在擠壓過程中隔膜失效的發(fā)生。

近日，美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室的Sergiy Kalnaus等人通過對(duì)Celgard兩款薄膜的測試研究。研究人員發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致隔膜失效的極限應(yīng)變與測試所采用的半球形的直徑無關(guān)，僅僅與隔膜的材質(zhì)有關(guān)，對(duì)于2325隔膜而言，導(dǎo)致失效的極限應(yīng)變?yōu)?.34，而2075隔膜失效的極限應(yīng)變?yōu)?.43。

測試樣品：Celgard的2325和2075兩款隔膜

半球擠壓測試

Sergiy Kalnaus等人利用半球擠壓測試對(duì)隔膜的失效模式進(jìn)行了研究：

左：celgard2325隔膜的原始狀態(tài)

右：celgard2325隔膜失效后的微觀結(jié)構(gòu)

左：celgard2075隔膜的原始狀態(tài)

右：celgard2075隔膜失效后的微觀結(jié)構(gòu)

從SEM圖片上可以看到隔膜中的縱向纖維被拉伸變寬，并且出現(xiàn)了部分纖維斷裂的情況。可以注意到由于干法拉伸工藝制備的隔膜存在明顯的各向異性，從而導(dǎo)致隔膜存在各向異性，因此裂紋都是出現(xiàn)在強(qiáng)度較差的橫向MD方向上。

對(duì)2325隔膜失效前的瞬間拍照顯示，在2325隔膜失效前，在下圖中箭頭的位置出現(xiàn)了兩條半透明的區(qū)域，兩條半透明帶的出現(xiàn)可能是因?yàn)?325隔膜的中間的PE層的原因（因?yàn)閱螌覲P隔膜2075在失效前并沒有出現(xiàn)半透明帶）。

* 由于2325隔膜最終發(fā)生隔膜斷裂時(shí)的應(yīng)變數(shù)據(jù)“離散度”比較大，很難準(zhǔn)確的找到一個(gè)“臨界點(diǎn)”，為了方便研究Sergiy Kalnaus將2325隔膜所能承受的極限應(yīng)變定義為半透明帶首次出現(xiàn)時(shí)隔膜所發(fā)生的應(yīng)變。

數(shù)字影像法DIC：隔膜失效前瞬間的應(yīng)變分布

2325隔膜發(fā)生失效前瞬間的隔膜應(yīng)變分布

2075隔膜發(fā)生失效前瞬間的隔膜應(yīng)變分布

*以上左圖利用直徑為50.8mm的圓球進(jìn)行擠壓時(shí)造成的應(yīng)變分布，右圖則是利用直徑為25.4mm直徑的圓球進(jìn)行擠壓時(shí)造成的應(yīng)變分布。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，雖然擠壓隔膜的半球的直徑分別為50.8mm和25.4mm，但是隔膜的極限應(yīng)變并沒有應(yīng)為擠壓球的直徑不同而發(fā)生變化，表明隔膜發(fā)生失效的極限應(yīng)變只與隔膜的材質(zhì)有關(guān)，與測試所用的半球的直徑無關(guān)，至少在實(shí)驗(yàn)中所用的擠壓球的直徑范圍內(nèi)是如此的（2325和2075兩種隔膜的極限分別是34%和43%）。

仿真分析

在上述的測試數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，Sergiy Kalnaus利用有限元分析工具對(duì)兩種隔膜的失效模式進(jìn)行了仿真分析，下圖為仿真數(shù)據(jù)與電池的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

左：2325隔膜  右：2075隔膜

由上圖我們可以看到，仿真數(shù)據(jù)（線）與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（點(diǎn)）擬合的非常好，表明了模型的準(zhǔn)確性。

模擬顯示，2325和2075兩種隔膜都在應(yīng)變達(dá)到0.35左右時(shí)發(fā)生了失效，這與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本吻合，僅稍有出入，造成這一誤差的原因主要還是缺少兩種隔膜在對(duì)角線方向上的強(qiáng)度數(shù)據(jù)。

以上的實(shí)驗(yàn)分析并不意味著2075隔膜安全性更好，從上面的數(shù)據(jù)來看，2325隔膜產(chǎn)生同樣的應(yīng)變所需要的外力是2075隔膜的兩倍，這能夠很好的保證鋰離子電池在遭受擠壓變形時(shí)的安全性）。

相比于傳統(tǒng)的采用單軸拉力法測試隔膜的抗拉強(qiáng)度，Sergiy Kalnaus所采用的半球法能夠更好的重現(xiàn)隔膜在鋰離子電池中遭受擠壓時(shí)的失效模式，因此采用該實(shí)驗(yàn)測試得到的隔膜失效數(shù)據(jù)也能夠更好的用于預(yù)測在擠壓測試中電池內(nèi)短路的發(fā)生。