以鋰離子電池隔（gé）膜為例探（tàn）討高（gāo）透過率材料透氣性的測試技術

濟南MD传媒视频機電技術有限（xiàn）公（gōng）司

　　鋰離子電池隔膜、無紡布等在現實生活中（zhōng）屬於高氣體透過率（即低阻隔）的（de）材（cái）料，相較於中高阻隔性材料，其透氣（qì）性測試通常表現出不同的特點：首（shǒu）先是透過氣體（tǐ）量增大，要求設備中提供測試氣體的氣（qì）源部分容量必須更加充分；第二（èr）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（zhě）更大的量程；第三是達到一（yī）些標準要求（qiú）的滲透平衡判斷條件（jiàn）的（de）時間不充分。當前的阻隔性設備將檢測重點集中（zhōng）在中高阻隔性樣（yàng）品上，因而在（zài）檢測高（gāo）透過率（lǜ）樣品時（shí）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（qì）體透過速度加（jiā）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（fǎ）氣體透過（guò）率測試來講，判斷滲透平衡是要依靠檢測（cè）下腔中氣體壓力的變化（huà）率來獲得的（de），但當遇（yù）到高透過率的（de）測試樣品時，在向測試上腔通（tōng）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升。壓差法的測試準確性主要取（qǔ）決於測試下腔（qiāng）中（zhōng）的壓力傳感（gǎn）器所測數據，因此（cǐ）在檢測高透過率樣品時，由於壓力變化速（sù）度過（guò）快，隻有采用具有較好的靈敏度和較高的精度的壓力傳感器才能（néng）進行這類材料的檢測。

　　其中第（dì）三點關於“滲透平衡時間點”的判斷（duàn）是透氣性檢測中的關鍵點，必須嚴格（gé）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（gé）性樣品來講，從滲透開始到建立（lì）平衡大概需要幾小時。但是對於低（dī）阻隔樣品（pǐn），即高透過率（lǜ）樣品，例如鋰離子電池隔膜等材（cái）料，要達到滲透平（píng）衡所需時（shí）間非常短暫。

　　對於壓差法（fǎ）測試，可以通過以下方法（fǎ）擴展測試（shì）量程：

　　首（shǒu）先是改變測試模式。由於高透（tòu）過率樣品達到滲透平衡耗時很短，因此，在檢測這（zhè）種（zhǒng）樣品時可直接設定試驗開始壓（yā）強和試驗（yàn）結束壓強，通（tōng）過測（cè）量壓強變化的時間計算樣品的氣體透過率。實際（jì）檢測表明，這樣（yàng）不但擴（kuò）大（dà）了測（cè）試（shì）量程，同（tóng）時（shí）數據重複性也（yě）得到（dào）極（jí）大的改善。不過由（yóu）於壓強變化速（sù）度太快，檢測（cè）這類材料時隻能依靠自動檢測（cè）設備。MD传媒视频 V係列壓差法阻隔（gé）性設備都具有（yǒu）一種“模糊測試”功能，通過這個（gè）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（jiàn）改變測（cè）試麵積。改變測試麵積之後，能有效調節單位時間內通過樣品的測試氣體量。目前MD传媒视频提供（gòng）的MASK，它具有幾種可選擇的透過（guò）麵積，使用起來非常方便。

2.  鋰離子電池（chí）隔膜透氣性簡介（jiè）及測試

　　鋰離（lí）子電（diàn）池（chí）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（wéi）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複通過（guò）的關鍵作用，故一般采用微孔薄膜材（cái）料進行製備。微孔結構雖然滿（mǎn）足了隔膜通暢性的要求，但由於具體製備工（gōng）藝不同（常見工藝如幹法、濕（shī）法或電紡等），微孔膜（mó）在厚度、孔徑、孔隙（xì）率、孔曲折度等關鍵參數方麵多有不同。如隔膜（mó）厚度和孔曲折（shé）度越小，意味著隔膜電阻相對較小，利於鋰離子（zǐ）的順（shùn）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（jí）接觸、鋰（lǐ）枝晶刺穿隔膜以及電阻增（zēng）大。

　　以上參數雖可直觀體現鋰（lǐ）離子電池隔膜的（de）結構性（xìng）能，但（dàn）測試方（fāng）法複雜且不準確，因此，行業逐（zhú）漸采用透氣性來表征隔膜的通暢性（xìng）。隔膜透氣性（xìng）是指隔膜在一定的時間壓力（lì）下透過的（de）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（cè）試100ml的氧氣透過1 in.^2（平方英寸）的（de）隔（gé）膜所用（yòng）的時間。公式如下：

注：t_Gur為Gurley值，?為孔曲折度，L為隔膜（mó）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（kǒng）徑、孔隙率等（děng）結構因素共同影響的結果，在評定（dìng）電池隔膜（mó）通暢性方麵具有可參照性。同時（shí），隔膜透（tòu）氣性（xìng）的測試也相（xiàng）對簡單，可借助透（tòu）氣性測試儀完成。

　　試驗項目：鋰離子電池隔膜（mó）透氣性    試驗設備：濟南MD传媒视频BTY-B2P透氣性測試儀

　　試驗方法：抽選國內六款（kuǎn）鋰離子電池隔膜命名為1#、2#、……，6#，選取隔膜平整部分，用專（zhuān）用取樣器裁取直徑為13mm的圓形試樣，加緊於儀器的測（cè）試上（shàng）下腔（qiāng）之間（jiān）。在23℃的環境（jìng）溫度中，對上下腔抽真空處理，待達到規（guī）定的真空度後，關閉下（xià）腔，向（xiàng）上腔充入99.9%的幹燥（zào）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（tī）度的作用下（xià）自高壓（yā）側透過試樣滲透到（dào）低壓側（cè），通過測量低壓側（cè）氣體壓（yā）力的變化，從而計算出Gurley值。

　　結果與分（fèn）析：

表1. 隔膜透氣性測試結果

　　從透氣性測試結果（guǒ）來（lái）看，所測隔膜（mó）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（dàn）其采用的是雙向拉伸工（gōng）藝，拉（lā）伸後隔膜（mó）的孔（kǒng）徑及分布均勻性較好，這在（zài）一定程度上會提升隔膜的透（tòu）氣性能。5#為（wéi）多層複合隔（gé）膜，跟其他相比，透氣（qì）性方麵沒有體現明顯的優勢。

3.  總結

　　以（yǐ）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（pàn）斷滲（shèn）透平衡的時（shí）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（shí），應（yīng）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（zhù）此方法對五種不同鋰離子電池隔膜的透氣性進行了評估，測試結果準確並具有對比（bǐ）性，進一（yī）步印證了壓差法測試高透過率（lǜ）材料透氣性的可靠性。