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隔膜 | 決定安全的不只有厚度:隔膜失效模式分析

人氣:2125 文章出處:鋰電網 發表時間:2018-03-07

根據生產工藝的不同, 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方向上的強度有著很大的各向異性,例如干法拉伸工藝隔膜在縱向MD上的抗拉強度可以達到140MPa以上,但是在橫向TD和對角線方向上的抗拉強度僅僅>20MPa,兩個方向上的抗拉強度存在很大的差異。


由于上述測試都是在單軸向拉力下測得的數據,與鋰離子電池在遭受擠壓時,多軸向同時受力的情形不同,因此由上述實驗得到的隔膜抗拉強度數據也無法準確預測在擠壓過程中隔膜失效的發生。


近日,美國橡樹嶺國家實驗室的Sergiy Kalnaus等人通過對Celgard兩款薄膜的測試研究。研究人員發現,導致隔膜失效的極限應變與測試所采用的半球形的直徑無關,僅僅與隔膜的材質有關,對于2325隔膜而言,導致失效的極限應變為0.34,而2075隔膜失效的極限應變為0.43。


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隔膜的失效模式進行了研究:


左:celgard2325隔膜的原始狀態

右:celgard2325隔膜失效后的微觀結構


左:celgard2075隔膜的原始狀態

右:celgard2075隔膜失效后的微觀結構


從SEM圖片上可以看到隔膜中的縱向纖維被拉伸變寬,并且出現了部分纖維斷裂的情況??梢宰⒁獾接捎诟煞ɡ旃に囍苽涞母裟ご嬖诿黠@的各向異性,從而導致隔膜存在各向異性,因此裂紋都是出現在強度較差的橫向MD方向上。


對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了兩條半透明的區域,兩條半透明帶的出現可能是因為2325隔膜的中間的PE層的原因(因為單層PP隔膜2075在失效前并沒有出現半透明帶)。


* 由于2325隔膜最終發生隔膜斷裂時的應變數據“離散度”比較大,很難準確的找到一個“臨界點”,為了方便研究Sergiy Kalnaus將2325隔膜所能承受的極限應變定義為半透明帶首次出現時隔膜所發生的應變。


【數字影像法DIC:隔膜失效前瞬間的應變分布】


2325隔膜發生失效前瞬間的隔膜應變分布


2075隔膜發生失效前瞬間的隔膜應變分布


*以上左圖利用直徑為50.8mm的圓球進行擠壓時造成的應變分布,右圖則是利用直徑為25.4mm直徑的圓球進行擠壓時造成的應變分布。


根據實驗結果,雖然擠壓隔膜的半球的直徑分別為50.8mm和25.4mm,但是隔膜的極限應變并沒有應為擠壓球的直徑不同而發生變化,表明隔膜發生失效的極限應變只與隔膜的材質有關,與測試所用的半球的直徑無關,至少在實驗中所用的擠壓球的直徑范圍內是如此的(2325和2075兩種隔膜的極限分別是34%和43%)。


【仿真分析】


在上述的測試數據的基礎上,Sergiy Kalnaus利用有限元分析工具對兩種隔膜的失效模式進行了仿真分析,下圖為仿真數據與電池的實驗數據。



左:2325隔膜  右:2075隔膜


由上圖我們可以看到,仿真數據(線)與實驗數據(點)擬合的非常好,表明了模型的準確性。


模擬顯示,2325和2075兩種隔膜都在應變達到0.35左右時發生了失效,這與實驗數據基本吻合,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角線方向上的強度數據。


以上的實驗分析并不意味著2075隔膜安全性更好,從上面的數據來看,2325隔膜產生同樣的應變所需要的外力是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的安全性)。


相比于傳統的采用單軸拉力法測試隔膜的抗拉強度,Sergiy Kalnaus所采用的半球法能夠更好的重現隔膜在鋰離子電池中遭受擠壓時的失效模式,因此采用該實驗測試得到的隔膜失效數據也能夠更好的用于預測在擠壓測試中電池內短路的發生。


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