掃描電鏡在隔膜材料中的應用

2024-10-25

鋰離子電池主要由正極材料、負極材料、隔膜和電解液幾部分組成。鋰離子通過電解液在正負極之間來回移動完成電池的充放電過程。其中隔膜在電池中主要起著防止正極與負極接觸，阻隔充放電時電路中的電子通過，允許電解液中鋰離子自由通過，從而實現離子傳導的重要作用。

干法隔膜與濕法隔膜

隔膜的原材料主要為PE （聚乙烯）或 PP （聚丙烯）等烯烴化工原材料。按照工藝可分為干法單向拉伸隔膜、干法雙向拉伸隔膜、濕法隔膜和3層PP/PE/PP復合隔膜，這幾種隔膜的主要區別在于微孔的成孔機理不同。

圖一：隔膜產業鏈示意圖

干法隔膜工藝是隔膜制備過程中最常采用的方法，該工藝是將高分子聚合物和添加劑原料混合形成均勻的熔體，擠出時在拉伸應力下形成片晶結構，然后片晶結構經過熱處理得到硬彈性的聚合物膜，在一定的溫度下拉伸形成狹縫狀微孔，熱定型后制得微孔膜。目前主要包括干法單向拉伸和雙向拉伸兩種工藝，干法單向拉伸工藝主要以PP為原料。

濕法工藝又稱為熱致相分離法(TIPS)，主要利用熱致相分離原理生產單層PE 隔膜。濕法工藝的基本過程為：在高溫下將聚合物溶于高沸點、低揮發性的溶劑中形成均相液，然后降溫冷卻，形成液固或液液相分離，再將其中的高沸點溶劑萃取，經過干燥、熱處理等工序獲得一定結構形狀的高分子微孔膜。

圖二：濕法隔膜生產工藝流程

從工藝環節來看，兩種方式的主要區別在于成孔方式，干法工藝通過拉伸，而濕法通過溶劑萃取和相分離成孔。簡單來說，是否需要溶劑也是兩者最主要的差異。

圖三：干法隔膜濕法隔膜的優缺點對比

掃描電鏡下的隔膜形貌

工藝上的差異決定了產品性能的不同，而產品的性能往往取決于材料的微觀結構。掃描電鏡作為材料微觀結構表征的利器，已經成為隔膜制造商必不可少的分析工具。賽默飛超高分辨場發射掃描電鏡Apreo 2兼具高質量成像和多功能分析性能于一體，采用雙引擎技術，超低電壓下可直接分析不導電樣品，且無需做噴鍍處理。

如下圖四所示，在200V低電壓下，直接將剪切的隔膜置于Apreo 2電鏡中，憑借快捷的FLASH功能，設備可自動執行精細調節動作，只需移動幾次鼠標，就可完成必要的合軸對中、消像散和圖像聚焦校正，即使電鏡初學者也能充分發揮Apreo 2的最佳性能。

通過電鏡結果，可以觀察隔膜表面的孔徑大小和及其分布；孔徑越大，隔膜對鋰離子遷移的阻力越小，鋰離子的穿透能力越強，但孔徑過大又會導致隔膜的機械性能和電子絕緣性能下降，造成正負電極短路；孔徑太小則會增加電阻。孔徑分布不均，工作時易造成局部電流過大，從而影響電池的性能。

圖四：干法隔膜低電壓下成像結果

盡管目前商用鋰離子電池隔膜多以聚烯烴材料為主，但也存在許多缺陷。干法隔膜的缺點是該微孔膜生產過程中沒有進行橫向拉伸，使用時橫向易開裂；批量生產的電池內部微短路機率相對較高；電池安全、可靠性不高。而濕法工藝需要大量的溶劑，易造成環境污染；與干法工藝相比設備復雜、投資較大、周期長、成本高、能耗大；因只能生產較薄的單層PE材質的膜，熔點只有130 ℃，熱穩定性較差。