隔膜在空氣和DMC中擠壓變形分析

隔膜在空氣和 中擠壓變形分析隔膜是鋰離子電池的重要組成部分，在鋰離子電池中起著防止正負(fù)極之間短路，并導(dǎo)通離子的作用。目前常見(jiàn)的隔膜制備工藝有兩大類：）干法拉伸工藝；）濕法工藝。其中干法拉伸工藝是目前應(yīng)用最為廣泛的隔膜制備工藝，但是干法拉伸工藝制備的隔膜存在明顯的各向異性，例如在縱向方向上，隔膜的抗拉強(qiáng)度可達(dá) 以上，但是在橫向和對(duì)角線方向上抗拉強(qiáng)度則僅僅略高于 M隔膜的這一特性也導(dǎo)致了在鋰離子電池在受外力發(fā)生變形時(shí)，在各個(gè)方向上能夠承受的應(yīng)變有很大的差異。目前對(duì)于隔膜機(jī)械特性的研究主要還是橫向和縱向的抗拉強(qiáng)度，對(duì)于隔膜的抗壓特性研究比較少，這主要是因?yàn)楦裟さ暮穸确浅１?，傳統(tǒng)的擠壓測(cè)試方法受到分辨率的影響，往往需要數(shù)十層，甚至是數(shù)百層隔膜疊加在一起，不同層隔膜方向的一致性和隔膜之間的空氣等都會(huì)對(duì)測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性產(chǎn)生極大的影響，因此傳統(tǒng)的擠壓測(cè)試方法很難獲得準(zhǔn)確的隔膜抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)。近日，美國(guó)密西根州立大學(xué)的 等人利用電容原理對(duì) 隔膜在空氣中和中的抗壓特性進(jìn)行了研究。下圖為 的三維重建模型，從模

型中可以看到該隔膜在橫向、縱向和厚度方向的結(jié)構(gòu)上存在明顯的差異，這也是導(dǎo)致隔膜在三個(gè)方向上機(jī)械強(qiáng)度存在明顯差異的根本原因。設(shè)計(jì)的電容測(cè)試方法的原理如下圖所示。實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要由上下兩個(gè)光滑玻璃圓片構(gòu)成，通過(guò)磁控濺射

的方法在玻璃圓片的中央位置鍍上了一層 厚的金屬鎢涂層，作為電容器的兩個(gè)電極。測(cè)試過(guò)程中，需要將隔膜制成的圓片，將個(gè)隔膜樣片分別放置在下圖所示的三個(gè)位置上，然后對(duì)上下兩個(gè)玻璃片施加壓力，使隔膜產(chǎn)生變形，引起兩個(gè)鎢電極之間的距離發(fā)生改變，從而引發(fā)電容的變化，通過(guò)測(cè)量?jī)蓚€(gè)鎢電極之間的電容變化就可以推算出其距離變化的數(shù)值，并據(jù)此計(jì)算隔膜的應(yīng)變。(plmmSampleinpricerurnsCapacitor田cQrWe(p24mmX5nrn(a)(BlassdHcsCjpacitdnSamplem;Conductlvi(plmmSampleinpricerurnsCapacitor田cQrWe(p24mmX5nrn(a)(BlassdHcsCjpacitdnSamplem;ConductlviEledduly(b)測(cè)試中采用了兩層隔膜，使得隔膜總厚度大約 u以減少測(cè)試的誤差。下圖為電容與施加的外力之間的關(guān)系曲線，可以看到在開(kāi)始的時(shí)候，有一小段的范圍內(nèi)，隔膜受到很小的力，電容就增大了很多（表明隔膜厚度減小了很多），這可能是隔膜表面粗燥不平或者邊緣有毛刺，導(dǎo)致開(kāi)始的時(shí)候上下玻璃片沒(méi)有完全與隔膜接觸，隨著施加壓力的增大，隔膜與玻璃片接觸的面積也逐漸增大，隔膜的抗壓能力也顯著增加。仔細(xì)分析壓力和應(yīng)變曲線（圖）可以發(fā)現(xiàn)，壓力應(yīng)變曲線可以分為四個(gè)區(qū)域：）初始接觸區(qū)；）線性區(qū)域；）屈服區(qū)域；）壓實(shí)區(qū)域。其中區(qū)域就如同我們上面分析的那樣，因?yàn)楦裟づc玻璃片之間不完全接觸，因此在很小的壓力下，就會(huì)產(chǎn)生較大的形變。區(qū)域主要是隔膜發(fā)生線性形變的區(qū)域。區(qū)域表示隔膜達(dá)到了屈服極限。而區(qū)域是多孔材料常見(jiàn)的壓實(shí)區(qū)域。o配1仲 1702M^a^ltancq(pF)-z一S&LL2W-KMThl-ekn?ss||prri)的(c)kn Intkr3HDUC1InDWG2tnDM。iStrainSt恰品M)o配1仲 1702M^a^ltancq(pF)-z一S&LL2W-KMThl-ekn?ss||prri)的(c)kn Intkr3HDUC1InDWG2tnDM。iStrainSt恰品M)采用區(qū)域和區(qū)域?qū)Ω裟さ膹椥阅Ａ窟M(jìn)行了計(jì)算，應(yīng)變?cè)趨^(qū)域的范圍內(nèi)時(shí)，隔膜在空氣中的彈性模量為土。而在中隔膜的彈性模量為土0隔膜在厚度方向上的彈性模量與隔膜在橫向上的抗拉強(qiáng)度非常接近，這與隔膜的結(jié)構(gòu)有關(guān)，單層隔膜是采用干法拉伸工藝制成，在拉伸的過(guò)程中，隔膜中原本堆疊在一起的平行薄片被拉開(kāi)，拉伸后的隔膜主要由半晶體薄片和薄片之間的無(wú)定形納米纖維組成，如本文的第一張圖片所示，其中縱向方向上，主要為無(wú)定形納米纖維承受拉力，而在縱向和厚度方向上，則都是由半晶體薄片承受拉力，由于在和 方向上隔膜具有相似的結(jié)構(gòu)，因此隔膜在厚度方向上的彈性模量和在橫向上的抗拉強(qiáng)度數(shù)值比較接近。在隔膜應(yīng)變達(dá)到區(qū)域時(shí)， 隔膜在空氣中的彈性模量為土，而在中的彈性模量則為土 5導(dǎo)致隔膜在中抗壓能力增加的原因可能是因?yàn)樵诟裟嚎s到壓實(shí)區(qū)域后，部分被困在了隔膜內(nèi)部的微孔之中，起到了制成隔膜的作用。--聲聲/HMCJ0R1r-PFNMOFP200a8B4PPJNMCJPP1戶戶串幗?甲Pt制rain--聲聲/HMCJ0R1r-PFNMOFP200a8B4PPJNMCJPP1戶戶串幗?甲Pt制rain為了模擬隔膜在真實(shí)電池中受到的擠壓，還對(duì)正極，以及“隔膜正極隔膜”三層復(fù)合結(jié)構(gòu)進(jìn)行了擠壓彈性模量分析，測(cè)試結(jié)果表明正極在空氣中的擠壓彈性模量為 土 9在中的彈性模量為土，這一數(shù)值要明顯高于正極( 2G 正極( 0。而“隔膜正極隔膜”三層復(fù)合結(jié)構(gòu)在空氣中的擠壓彈性模量為 ，在 中的彈性模量則為。根據(jù)彈性彈性模量混合的原理，三層復(fù)合結(jié)構(gòu)的彈性模量可以由下式計(jì)算獲得，但是實(shí)際的測(cè)試結(jié)果與理論結(jié)果預(yù)測(cè)并不完全一致，表明正極與隔膜之間存在相互作用。眾所周知，正極表面粗燥程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于玻璃表面,因此在受到擠壓的時(shí)候正極表面中突出的位置會(huì)首先擠壓到隔膜，在隨后的擠壓變形過(guò)程中，正極粗燥的表面還會(huì)對(duì)隔膜產(chǎn)生限位的作用，這同樣會(huì)對(duì)隔膜的彈性模量產(chǎn)生影響，這也就導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果與預(yù)測(cè)結(jié)果有一定的偏差。 '尸f 二—? - ^PP/NMC/PP=； 7 即肥十； ： 版般中P+加MC ￡呼+*WC為了模擬隔膜在真實(shí)電池中受到的擠壓，還對(duì)正極，以及“隔膜正極隔膜”三層復(fù)合結(jié)構(gòu)進(jìn)行了擠壓彈性模量分析，測(cè)試結(jié)果表明 正極在空氣中的擠壓彈性模量為 土 9在中的彈性模量為土，這一數(shù)值要明顯高于正極( 2G 正極( 0。而“隔膜正極隔膜”三層復(fù)合結(jié)構(gòu)在空氣中的擠壓彈性模量為 ，在 中的彈性模量則為。根據(jù)彈性彈性模量混合的原理，三層復(fù)合結(jié)構(gòu)的彈性模量可以由下式計(jì)算獲得，但是實(shí)際的測(cè)試結(jié)果與理論結(jié)果預(yù)測(cè)并不完全一致，表明正