以鋰離子電池隔膜為例探討高透過率材料透氣性的測試技術

濟南蘭光機電技術有限公司

　　鋰離子電池隔膜、無紡布等在現實生活中屬於高氣體透過率（即低阻隔）的材料，相較於中高阻隔性材料，其透氣性測試通常表現出不同的特點：首先是透過氣體量增大，要求設備中提供測試氣體的氣源部分容量必須更加充分；第二是滲透氣體透過速度加快，要求探測傳感器具有更高的靈敏度或者更大的量程；第三是達到一些標准要求的滲透平衡判斷條件的時間不充分。當前的阻隔性設備將檢測重點集中在中高阻隔性樣品上，因而在檢測高透過率樣品時會出現一些困難。

1.  高透過率材料透氣性檢測難點及方法概述

　　透過氣體量增大和滲透氣體透過速度加快對阻隔性測試來講是檢測高透過率材料的難點所在。例如對於壓差法氣體透過率測試來講，判斷滲透平衡是要依靠檢測下腔中氣體壓力的變化率來獲得的，但當遇到高透過率的測試樣品時，在向測試上腔通入測試氣體的瞬間，由於樣品的高透過率使得測試下腔的壓力開始快速上昇。壓差法的測試准確性主要取決於測試下腔中的壓力傳感器所測數據，因此在檢測高透過率樣品時，由於壓力變化速度過快，只有采用具有較好的靈敏度和較高的精度的壓力傳感器纔能進行這類材料的檢測。

　　其中第三點關於“滲透平衡時間點”的判斷是透氣性檢測中的關鍵點，必須嚴格執行滲透平衡的判斷條件，否則可能會引起判斷失誤，導致在滲透未達到平衡時就結束試驗。對於中高阻隔性樣品來講，從滲透開始到建立平衡大概需要幾小時。但是對於低阻隔樣品，即高透過率樣品，例如鋰離子電池隔膜等材料，要達到滲透平衡所需時間非常短暫。

　　對於壓差法測試，可以通過以下方法擴展測試量程：

　　首先是改變測試模式。由於高透過率樣品達到滲透平衡耗時很短，因此，在檢測這種樣品時可直接設定試驗開始壓強和試驗結束壓強，通過測量壓強變化的時間計算樣品的氣體透過率。實際檢測表明，這樣不但擴大了測試量程，同時數據重復性也得到極大的改善。不過由於壓強變化速度太快，檢測這類材料時只能依靠自動檢測設備。蘭光 V系列壓差法阻隔性設備都具有一種“模糊測試”功能，通過這個測試模式就能實現對高透過率樣品的檢測。

　　其次，使用MASK測試附件改變測試面積。改變測試面積之後，能有效調節單位時間內通過樣品的測試氣體量。目前蘭光提供的MASK，它具有幾種可選擇的透過面積，使用起來非常方便。

2.  鋰離子電池隔膜透氣性簡介及測試

　　鋰離子電池通常由正極、負極、隔膜、電解液和外殼組成，鋰離子通過在正負極之間不斷的嵌入與脫嵌完成了電池的充 放電工作。其中電池隔膜作為電池的核心部件，發揮了隔離正負極、同時允許鋰離子在兩極之間的往復通過的關鍵作用，故一般采用微孔薄膜材料進行制備。微孔結構雖然滿足了隔膜通暢性的要求，但由於具體制備工藝不同（常見工藝如乾法、濕法或電紡等），微孔膜在厚度、孔徑、孔隙率、孔曲折度等關鍵參數方面多有不同。如隔膜厚度和孔曲折度越小，意味著隔膜電阻相對較小，利於鋰離子的順利通過；合適的孔徑、空隙及平均的微孔分布，可以有效防止正負極接觸、鋰枝晶刺穿隔膜以及電阻增大。

　　以上參數雖可直觀體現鋰離子電池隔膜的結構性能，但測試方法復雜且不准確，因此，行業逐漸采用透氣性來表征隔膜的通暢性。隔膜透氣性是指隔膜在一定的時間壓力下透過的氣體量，行業中習慣采用Gurley值來表示，意指在1.22kPa的壓力下，測試100ml的氧氣透過1 in.^2（平方英寸）的隔膜所用的時間。公式如下：

注：t_Gur為Gurley值，?為孔曲折度，L為隔膜厚度，ε為孔隙率，d為孔徑。

　　從公式中可以發現，電池隔膜透氣性是厚度、孔曲折度、孔徑、孔隙率等結構因素共同影響的結果，在評定電池隔膜通暢性方面具有可參照性。同時，隔膜透氣性的測試也相對簡單，可借助透氣性測試儀完成。

　　試驗項目：鋰離子電池隔膜透氣性    試驗設備：濟南蘭光BTY-B2P透氣性測試儀

　　試驗方法：抽選國內六款鋰離子電池隔膜命名為1#、2#、……，6#，選取隔膜平整部分，用專用取樣器裁取直徑為13mm的圓形試樣，加緊於儀器的測試上下腔之間。在23℃的環境溫度中，對上下腔抽真空處理，待達到規定的真空度後，關閉下腔，向上腔充入99.9%的乾燥N2，使得試樣兩側（即上下腔）保持一定的氣體壓差，N2會在濃度梯度的作用下自高壓側透過試樣滲透到低壓側，通過測量低壓側氣體壓力的變化，從而計算出Gurley值。

　　結果與分析：

表1. 隔膜透氣性測試結果

　　從透氣性測試結果來看，所測隔膜的透氣性均良好。1#至3#為同一家企業生產，隨著厚度的遞增，鋰離子透過的路徑延長，Gurley值也逐漸變大，這意味著隔膜的透氣性降低。4#樣品雖然也為PP材質，但其采用的是雙向拉伸工藝，拉伸後隔膜的孔徑及分布均勻性較好，這在一定程度上會提昇隔膜的透氣性能。5#為多層復合隔膜，跟其他相比，透氣性方面沒有體現明顯的優勢。

3.  總結

　　以鋰離子電池隔膜為代表的高透過率材料因較大的氣體透過量、較快的氣體透過速度和難以判斷滲透平衡的時間等原因，使其透氣性檢測過程中存在諸多困難。選擇傳統壓差法測試該類材料時，應選擇適當的測試模式並輔以MASK附件，以實現對高透過率材料的精確測量。借助此方法對五種不同鋰離子電池隔膜的透氣性進行了評估，測試結果准確並具有對比性，進一步印證了壓差法測試高透過率材料透氣性的可靠性。