锂离子电池隔膜进行穿透与拉伸试验

本文介绍了HS-3000A-S电子万能试验机，配合恒温箱，对锂电池隔离膜进行穿刺与拉伸试验测试其强度。通过这项研究，我们能够评估在生产和使用过程中，隔离膜在不同温度下的强度特性。

关键词：锂电池 隔膜 拉伸强度 穿刺 拉伸

锂离子二次电池又称充电电池（以下简称锂离子电池），因 其能量密度高、电池电压高等优点，被广泛用作信息终端和消费电子等领域的能源。最近，它们越来越多地传播到一般家庭应用领域，包括混合电动汽车，而且很明显，未来的需求将进一步增加。 由于锂离子电池有时会因短路、过充放电、冲击等原因变得不稳定，因此在电池组件层面上加入了多种保护机制，以确保安全由 于锂离子电池重量轻、体积小。

在这些组成部分中，锂离子电池隔离膜防止正极和负极之间的接触，同时起到允许锂离子通过的间隔物的作用。并且，它还 具有防止短路时由于电流过大而导致电池温度升高的功能。由于锂离子电池隔离膜放置位置，使其与正负极粗糙表面接触，因此需要较高的机械强度。这种机械强度必须保持稳定，即使温度有一些上升（这在某种程度上是常见的），例如电池充电。因此，我们使用和晟HS-3000A-S电子万能试验机与恒温箱配合，在不同温度状态下，对隔离膜进行了穿孔和拉伸测试，以评估强度随温度变化的情况。

1、实验设备

1.1 仪器 HS-3000A-S 电子万能实验机 恒温箱

1.2 分析条件

• 试验类型：穿刺/拉伸试验
• 负荷传感器容量：100N
• 试验力精度：显示值的 ±0.5%
• 试验速度：50mm/min
• 试验温度：25℃ /60℃ /90℃
• 夹具：50N 气动夹具（平面齿0.4Mpa）

2、 试验方法

用于穿刺试验的隔离膜，从两个小型电子设备上的锂离子电池（圆柱形）中取出，用于测试环境温度变化对隔离膜特性的影响。

用于拉伸试验的隔膜是从商用锂离子电池（方形）中取出的，聚乙烯（PE）作为主要成分的样品。进行拉伸试验时，将每个分离样品制成哑铃形样品，其方向为每个分离样品的长度和 宽度。所有标本的总长度35mm，平行截面尺寸为10（长）×2（宽）mm。

图 1. 拉伸试验样品

2.2 试验结果

为穿刺试验的力 - 位移曲线，表1示出了与温度对应 的最大力和最大位移。在25°C 和 60°C下的试验结果对比表明，最大力没有太大的差别，但最大位移是在60°C 时更大。在60°C 和 90°C 的结果值比较最大力在 90°C处明显减小，但最大位移值变化不明显。综上所述，可以判断在60℃时，锂离子电池分离器的强度没有降低，尽管其延伸性能明显增加。

图 2. 穿刺试验结果

表1.测量结果表

图3 和图4分别示出了样品1的宽度和长度方向，应力 - 应变曲线。图5和图6分别示出了样品2的宽度和长度方向，应力 - 应变曲线。表2显示了在每个温度下获得的力学性能的测试值，每个样品，宽度方向拉伸强度都比长度方向低，但一般宽度方向伸长率更大。再比较表2中的数据时，试样的长度方向拉伸强度约为宽度方向的5 倍。此外，样品1在长度上的断裂应变降低了，在宽度方向上大约是长上度方向的 15倍。根据述结果，可以推测该隔离膜（样品1）为采用长度拉伸的方法制造。试样2的宽度方向拉伸强度约为试样1的两倍，断裂应变较低。

因此，由于试样2在长度方向上具有更大的拉伸强度和较低的断裂应变的倾向，推测样品2是以低的双轴拉伸比制造的，并且在长度方向上的拉伸比大于宽度方向的拉伸比。

当比较 25° C 和 60° C下的试样断裂应变和拉伸强度时，尽管由于试验温度增加到 60° C，断裂应变值增加了 2 倍，但拉伸强度略有下降。同样，当与 60° C 和 90° C下的物理性能测量值相比，断裂应变与 25° C 和 60° C 下的应变相比，表现出同样的显著增加趋势。然而，在这种情况下，拉伸强度值出现显著的降低。

图 3.测试结果（样品1，横向）

图 4.测试结果（样品1，纵向）

图5.测试结果（样品2，横向）

图 6.测试结果（样品2，纵向）

图 5.测试结果（样品2，横向）

试验结果

综上所述，很明显，本试验中使用的锂离子电池隔离膜在60° C 下仍保持良好的机械强度，尽管其伸长特性提高。隔离膜需要高机械强度性能，以承受电池内温度的变化。这里，从锂离子电池隔膜在常温下的穿孔和拉伸试验结果可以清楚地看出，使用和晟HS-3000A-S电子万能试验机，可以可靠地评估锂离子电池隔膜的机械性能。