AGX-V, Besondere Anwendungen

Bewertung der temperaturabhängigen Festigkeitseigenschaften von Lithium-Ionen-Batterie-Separatoren durch Durchstoß- und Zugprüfungen

Einführung

Lithium-Ionen-Sekundärzellen, auch wiederaufladbare Batterien genannt (hier als "Lithium-Ionen-Batterien" bezeichnet), werden aufgrund ihrer hohen Energiedichte und Zellspannung in großem Umfang als Energiequellen für Informationsterminals, Unterhaltungselektronik usw. verwendet. In jüngster Zeit ist ihre zunehmende Verbreitung in Bereichen allgemeiner Haushaltsanwendungen, einschließlich Hybrid- und Elektrofahrzeugen, ganz offensichtlich, und es scheint offensichtlich, dass die Nachfrage in Zukunft weiter steigen wird. Da Lithium-Ionen-Batterien manchmal durch Kurzschluss, Überladung und Entladung, Stöße usw. instabil werden können, sind auf der Ebene der Batteriekomponenten eine Reihe von Schutzmechanismen eingebaut, um die Sicherheit zu gewährleisten. Von diesen Bauteilen verhindert der Separator der Lithium-Ionen-Batterie den Kontakt zwischen der positiven und der negativen Elektrode und fungiert gleichzeitig als Abstandshalter, der den Durchgang der Lithium-Ionen ermöglicht. Er erfüllt aber auch die Funktion des im Falle eines Kurzschlusses einen Anstieg der Batterietemperatur aufgrund von Überstrom zu verhindern. Da der Separator der Lithium-Ionen-Batterie so angebracht ist, dass er mit den rauen Oberflächen der Plus- und Minuspole in Kontakt kommt, ist eine hohe mechanische Festigkeit erforderlich. Diese mechanische Festigkeit muss auch bei einem gewissen Temperaturanstieg erhalten bleiben, der zum Beispiel beim Laden der Batterie bis zu einem gewissen Grad üblich ist. Aus diesem Grund haben wir Durchstoß- und Zugversuche am Separator durchgeführt, um die Veränderungen der Festigkeit in Abhängigkeit von Temperaturschwankungen zu bewerten. In diesem Dokument werden aktuelle Beispiele für diese Tests vorgestellt.

Nachtrag)
Was den Separator von Lithium-Ionen-Batterien betrifft, so wurden frühere Bewertungsbeispiele auch in den Application News T146 "Measurement of Separator in Lithium-Ion Battery" und i229 "Multi- Faceted Approach for Evaluating Lithium-Ion Battery Separators" vorgestellt.

Durchdringungstest

Bei den Proben handelte es sich um Separatoren, die aus zwei Lithium-Ionen-Batterien (zylindrisch) entfernt wurden, die in kleinen Elektrogeräten verwendet werden, und wir maßen die Veränderungen der Durchstoßeigenschaften aufgrund von Änderungen der Umgebungstemperatur. Abb. 1 zeigt einen Überblick über die Testbedingungen, und Tabelle 1 enthält Einzelheiten zu den Testbedingungen.

Abb. 2 zeigt die Kraft-Weg-Kurve, und Tabelle 2 zeigt die maximale Kraft und den maximalen Weg in Abhängigkeit von der Temperatur. Vergleicht man die Prüfergebnisse bei 25 °C und 60 °C, so zeigt sich, dass sich die Maximalkraft nicht wesentlich unterscheidet, aber die maximale Verschiebung ist bei 60 °C größer. Vergleicht man die charakteristischen Werte bei 60 °C und 90 °C, so fällt auf, dass die Maximalkraft bei 90 °C abnimmt, der Wert der maximalen Verschiebung jedoch in etwa gleich ist. Daraus lässt sich schließen, dass die Festigkeit des Lithium-Ionen-Batterieseparators bei 60 °C nicht abnimmt, obwohl seine Dehnungseigenschaften offensichtlich zunehmen.

Zugversuch

Die für die Zugversuche verwendeten Separatoren wurden aus handelsüblichen Lithium-Ionen-Batterien (quadratisch) entnommen, so dass 2 Arten von Proben (im Folgenden als Proben (1) und (2) bezeichnet) verwendet wurden, die PE (Polyethylen) als Hauptbestandteil enthielten. Bei der Durchführung der Zugversuche wurde jede Separatorprobe (wie in Abb. 3(a) gezeigt) zu hantelförmigen Proben geformt, die in Längs- und Querrichtung des jeweiligen Separators ausgerichtet waren (siehe Abb. 3(b)). Die Gesamtlänge aller Proben betrug 35 mm, wobei der Parallelschnitt 10 (L) × 2 (B) mm maß.

Tabelle 3 zeigt die verwendeten Zugversuchsbedingungen.
Abb. 4 und Abb. 5 zeigen die Spannungs-/Dehnungskurven für die Breiten- bzw. Längsrichtung der Probe (1).
Abb. 6 und Abb. 7 zeigen die Spannungs-/Dehnungskurven für die Breiten- bzw. Längsrichtung der Probe (2).
Tabelle 4 zeigt die Prüfwerte der mechanischen Eigenschaften, die bei jeder Temperatur erzielt wurden.

Bei allen Proben wurde eine geringere Zugfestigkeit und eine größere Dehnung in der Breitenrichtung als in der Längsrichtung festgestellt. Vergleicht man die Zahlen in Tabelle 4, so ist die Zugfestigkeit der Probe (1) in Längsrichtung etwa fünfmal größer als die Zugfestigkeit der Probe (1) in Breitenrichtung. Auch die Bruchdehnung der Probe (1) in Längsrichtung ist etwa um den Faktor 15 geringer als die der Probe (1) in Breitenrichtung. Aus den obigen Ergebnissen lässt sich schließen, dass dieser Separator (Probe (1)) durch einachsiges Ziehen in Längsrichtung hergestellt wurde. Die Zugfestigkeit der Probe (2) in Breitenrichtung ist etwa doppelt so hoch wie die der Probe (1), und die Bruchdehnung ist viel geringer. Eine ähnliche Tendenz wie bei Probe (2) in der Breitenrichtung ist auch bei Probe (2) in der Längsrichtung zu beobachten. Aufgrund der Tendenz zu höherer Zugfestigkeit und geringerer Bruchdehnung bei Probe (2) in Längsrichtung wird daher vermutet, dass Probe (2) mit einem niedrigen biaxialen Ziehverhältnis hergestellt wurde und dass das Ziehverhältnis in Längsrichtung größer war als das in Breitenrichtung. Die erhaltenen Daten zu den mechanischen Eigenschaften in Abhängigkeit von der Probentemperatur sind ebenfalls interessant. Beim Vergleich der Bruchdehnung und der Zugfestigkeit der Probe bei 25 °C und 60 °C zeigt sich, dass die Bruchdehnung durch die Erhöhung der Prüftemperatur auf 60 °C zwar um den Faktor 2 anstieg, die Zugfestigkeit jedoch nur geringfügig abnahm. Auch beim Vergleich der Messwerte der physikalischen Eigenschaften bei 60 °C und 90 °C zeigte die Bruchdehnung die gleiche Tendenz zum starken Anstieg wie beim Vergleich der Werte bei 25 °C und 60 °C. In diesem Fall ist jedoch ein deutlicher Rückgang der Zugfestigkeit zu verzeichnen. Daraus ist ersichtlich, dass die in diesem Test verwendeten Separatoren für Lithium-Ionen-Batterien trotz ihrer erhöhten Dehnungseigenschaften eine ausgezeichnete mechanische Festigkeit bei 60 °C aufweisen. Hohe mechanische Festigkeitsspezifikationen sind für Separatoren erforderlich, um den Temperaturschwankungen in der Zelle standzuhalten. Wie die Ergebnisse der Durchstoß- und Zugprüfung von Lithium-Ionen-Batterie-Separatoren unter atmosphärischer Temperaturkontrolle zeigen, können die mechanischen Eigenschaften von Lithium-Ionen-Batterie-Separatoren mit dem Shimadzu Präzisions-Universaltester AG-X und seinem reichhaltigen Zubehör zuverlässig bewertet werden.