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快速测试隔膜离子电导率的系统化解决方案

作者:元能科技(厦门)有限公司 浏览: 发表时间:2023-12-22 09:17:40

正极、负极、电解液及隔膜是组成锂离子电池的四大主要材料。在锂离子电池充电过程中,锂离子由正极脱出,经由电解液运输穿过隔膜后嵌入负极,放电过程则相反。由于隔膜在电池中起隔离正负极的作用,因此隔膜必须满足以下几点:

1. 电子绝缘性;

2. 易被电解液浸润,且具备一定的保液能力;

3. 良好的力学性能和结构稳定性;

4. 对电解液、杂质、正负极反应物具有很好的化学稳定性 ;

5. 能够有效阻止两极间粒子、胶体或可溶物的迁移;

6. 具备一定的孔隙率,能够使离子进行快速传输。

在液态电池中,现有隔膜材质通常为PE材质、PP材质或者两者混合类型(PP、PE、PP/PE/PP),该类材质经过一定的工艺处理,进行拉伸后可以得到一定厚度的隔膜基材,该类隔膜必须具备较高孔隙率,保证离子传输性能。但由于电池在充放电过程中会产生大量的热,PP及PE隔膜在高温下会发生热收缩。为了提高隔膜的热收缩性能,通常会在隔膜上涂覆纳米氧化铝或者勃姆石粉末[1]

隔膜离子传输性能主要是由隔膜的孔隙率与迂曲度决定。针对隔膜的离子传输性能检测,行业上目前普遍采用《GB/T 36363-2018:锂离子电池用聚烯烃隔膜》6.6.2中的离子电导率测试方法进行检测[2]

图1.电池内部结构及工作原理示意图




 实验部分 

测试设备:采用IEST元能科技自主开发多通道离子电导率测试系统进行测试。如图2所示。该仪器包含四通道对称电池组装治具、电化学阻抗测试系统,拟合软件等,可结合高纯氩或氮气控制测试环境的惰性氛围,实现多通道对称电池或不同隔膜的电化学阻抗谱测试。



图2.元能科技多通道离子电导率测试系统

测试步骤:为了验证设备的一致性与实际测试情况,我们采用了不同工艺处理与不同老化温度处理后的隔膜进行离子电导率测试。主要实验步骤如下:

1. 将隔膜裁切成一定面积的小隔膜,在60℃下真空烘烤12h;

2. 烘烤后将隔膜在模具中组装后转移至仪器中;

3. 进行抽真空-充气等步骤,除去样品中的相关空气与水分;

4. 对各通道进行定量自动注液(300μL,1M LiPF6,EMC:EC:DMC=1:1:1),完成注液后静置一定时间;

5. 完成静置后采用元能科技多通道离子电导率测试系统的EIS模块进行阻抗测试;

6. 分别完成1~4层隔膜组装与测试,采用自动拟合软件,以得到的EIS为基线进行拟合,拟合得到阻抗与X轴交点为Rs,如图3所示。拟合n层隔膜的EIS测试结果,可得到n层隔膜的电阻Rs(n)。

图3.隔膜离子电导率Rs拟合示意图

隔膜是多孔结构,孔隙中填充电解液,其交流阻抗谱的等效电路可以由一个CPE相位元件和一个离子电阻的串联电路来描述,如图4所示。其等效电路的阻抗由下式给出:


其中,在相应的奈奎斯特图(图3)中,我们通过高频外推(即ω → ∞)来简单地确定多孔隔膜内的离子电阻R Ion ,即阻抗谱与实轴的交点Rs。

图4.阻塞条件下电子绝缘多孔隔膜的等效电路



 结果分析 


案例1:不同隔膜处理工艺

采用厚度相同,处理工艺不同的两款隔膜,其总厚度为12μm,分别命名为SEPE-1与SEPE-2。测试EIS如图5所示,我们可以发现两者EIS存在较大差别,其中SEPE-1>SEPE-2。

图5.不同工艺处理后的隔膜EIS

通过拟合计算,我们可以得到SEPE-1及SEPE-2在不同层数下面的Rs值。Rs值的COV均在5%以内,说明不同平行样之间一致性好,测试结果稳定可靠。

表1.不同层数电阻测试拟合结果

以层数为X轴,Rs为Y轴作图,可以得到层数与电阻Rs之间的关系值,如图6所示。

图6.不同工艺处理后的隔膜Rs

根据国标公式,可计算得SEPE-1离子电导率为0.454mS/cm,SEPE-2离子电导率为0.554mS/cm,隔膜SEPE-1离子电导率小于隔膜SEPE-2,说明SEPE-2处理工艺较好。隔膜离子电导率大小取决于多种因素,包括隔膜的材质、厚度、孔径大小、孔隙率等。隔膜表面的陶瓷涂层结构同样会对离子电导率具有重要影响,不管是表面涂覆层还是隔膜本体,孔径较大的隔膜可以提高离子的传输速率,而孔隙率较高的隔膜可以增加离子的通道数量,从而提高离子电导率。不同的处理工艺导致了不同的隔膜微观结构,因此隔膜具有不同的离子电导率。



案例2:不同电芯老化温度
锂离子电池在完成化成后,通常会在一定温度下静置一段时间,使电池极化充分释放的同时,电芯副反应也更加完全,电芯界面更加稳定。这段过程在电芯工艺中称为老化。在老化过程中,不同环境温度及静置时间对电芯性能有极大影响。为探究老化温度对隔膜的影响,我们将化成后的电芯进行常温及高温60℃静置48h,随后将电芯拆解,取隔膜进行离子电导率测试。

隔膜材质为PP,基材厚度为9μm,在工艺上采用双面陶瓷涂覆工艺,单面涂覆厚度为2μm,即9+2+2工艺。其EIS测试结果如图7所示。我们可以发现,60℃老化后的隔膜EIS大于25℃老化的隔膜。

图7.不同老化温度处理后的隔膜EIS

通过拟合计算,我们可以得到两个老化温度下隔膜在不同层数下面的Rs值。数据表明Rs值其COV均在5%以内,说明不同平行样之间一致性好,测试结果稳定可靠。

表2.不同老化温度处理后电阻测试拟合结果

以层数为X轴,Rs为Y轴作图,可以得到层数与电阻Rs之间的关系值,如图8所示。

图8.不同老化温度处理后的隔膜Rs

根据国标公式,可计算得经过常温25℃老化温度处理后的隔膜离子电导率为0.803mS/cm,60℃老化温度处理后的隔膜离子电导率为0.509mS/cm。说明经过25℃老化处理的隔膜离子电导率高于60℃老化温度处理的隔膜离子电导率。

其主要原因是因为高温搁置老化会使电池的正极材料颗粒表面出现沉积物,主要源于高温搁置过程中电解液在正极颗粒表面的氧化。同时,负极表面也可能出现沉积物,主要源于负极表面SEI膜增厚反应,以及与电解液分解反应。这些沉积物都可能覆盖在隔膜表面,表现出孔隙堵塞的现象。而室温下,这些副反应程度更低,速率更慢,因此,高温老化更容易出现隔膜离子电导率下降的现象。因此我们可以判定,60℃下老化48h的工艺或不适合该款电芯。



 总结 

针对不同工艺处理的隔膜与不同老化温度的隔膜,元能科技采用自研设备:多通道离子电导率测系统,快速完成了多层隔膜组装并进行了离子电导率测试,测试效率得到了极大提升。同时,测试结果也表明了不同的隔膜处理工艺与不同的老化温度对隔膜离子电导率较大影响。


参考文献

[1] 杨保全,陶瓷涂层隔膜改性锂离子电池隔膜,合成材料老化与应用,2018,47(1),67-72.

[2] 国家标准:GB/T 36363-2018 《锂离子电池用聚烯烃隔膜》.

[3] Wall,Wolfgang,A,et al.Tortuosity Determination of Battery Electrodes and Separators by Impedance Spectroscopy (vol 163, pg A1373, 2016)[J].Journal of the Electrochemical Society, 2017, 164(4)






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