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背景
鋰離子電池作為現(xiàn)代電子設(shè)備和電動汽車的主要能源存儲設(shè)備，其性能受到多種因素的影響，其中溫度是一個關(guān)鍵的環(huán)境變量。隔膜作為鋰離子電池中的關(guān)鍵組件，其主要功能是隔離正負(fù)極以防止短路，同時允許鋰離子在電解液中自由傳輸，隔膜的離子電導(dǎo)率直接影響電池的充放電性能和整體效率。研究表明，溫度的變化會顯著影響隔膜的微觀結(jié)構(gòu)和電解液的離子傳輸特性，進(jìn)而影響隔膜的離子電導(dǎo)率。隨著溫度的升高，電解液的粘度降低，離子遷移速率加快，從而提高隔膜的離子電導(dǎo)率。然而，過高的溫度可能導(dǎo)致隔膜材料的軟化或熔化，破壞其多孔結(jié)構(gòu)，進(jìn)而降低離子傳輸效率。相反，低溫下電解液的粘度增加，離子遷移速率減慢，導(dǎo)致隔膜的離子電導(dǎo)率下降。因此，研究溫度對隔膜離子電導(dǎo)率的影響對于優(yōu)化鋰離子電池的性能和安全性具有重要意義。
本文通過測試隔膜在不同溫度下的離子電導(dǎo)率變化，探討溫度對隔膜離子電導(dǎo)率的影響規(guī)律。
一、測試條件&方法
1.1 測試設(shè)備
采用元能科技自研的多通道離子電導(dǎo)率測試系統(tǒng)（EIC2400M-T，IEST）如圖1所示，該設(shè)備包含4個測試通道，可提供高純氬氛圍，實(shí)現(xiàn)多通道對稱電池的電化學(xué)阻抗譜測試。壓力范圍10~50Kg，頻率范圍100KHz~0.01Hz。
圖1. 多通道離子電導(dǎo)率測試系統(tǒng)
1.2 測試樣品
隔膜A
1.3 測試流程&隔膜離子電導(dǎo)率計算方法：
將隔膜按照1層，2層，3層，4層放到對應(yīng)的4個通道中——>關(guān)閉設(shè)備倉門，對內(nèi)腔進(jìn)行抽真空-充高純氬氣，除去內(nèi)腔中的水分——>對各通道進(jìn)行定量注液——>達(dá)到浸潤時間后，自動測試EIS——>最后通過軟件的擬合、計算得到隔膜的離子電導(dǎo)率。隔膜離子電導(dǎo)率的計算方法如下所示：以每層隔膜的EIS為基線進(jìn)行擬合，擬合線與X軸交點(diǎn)為Rs，則為n層隔膜的阻抗Rs（n），如圖2（a）所示。將層數(shù)為X軸，每層的阻抗值為Y軸做線性擬合，所得到的線性擬合方程的斜率即為單層隔膜的離子阻抗R，如圖2(b)所示。
圖2. 不同隔膜層數(shù)的EIS阻抗譜（a）；R值擬合圖（b）
將得到的離子阻抗R代入公式1計算可得到隔膜離子電導(dǎo)率。
σ=d /( R * S) （1）
其中，σ為離子電導(dǎo)率，d為隔膜厚度，R為離子電阻，S為隔膜反應(yīng)面積。
二、結(jié)果分析
圖3. 隔膜在不同溫度下的電化學(xué)阻抗譜
表1. 隔膜A在不同溫度下的離子電阻值和離子電導(dǎo)率值
圖4. 隔膜離子電導(dǎo)率和溫度的關(guān)系圖
圖3為隔膜在不同溫度下測得的EIS阻抗譜，以得到的EIS為基線進(jìn)行線性擬合，記錄擬合線與X軸的交點(diǎn)值，如表1所示，可以得到1~4層隔膜的阻抗值R1，R2，R3，R4。以層數(shù)為X軸，R1，R2，R3，R4為Y軸做線性擬合得到隔膜離子電阻，再將離子電阻代入公式計算得到離子電導(dǎo)率，結(jié)果列于表1。從圖4的趨勢圖可以看出隨著溫度的升高，隔膜的離子電導(dǎo)率明顯增加。
電解液的粘度是影響離子電導(dǎo)率的關(guān)鍵因素之一。根據(jù)Stokes-Einstein方程，離子的遷移速率與電解液的粘度成反比。因此，當(dāng)溫度升高時，電解液的粘度降低，鋰離子的遷移速率加快，導(dǎo)致隔膜的離子電導(dǎo)率增加。從表1中的數(shù)據(jù)可以看出，隨著溫度從25°C升高到70°C，隔膜的離子電導(dǎo)率從0.7691mS/cm增加到1.8336 mS/cm。除了電解液粘度的變化，溫度也影響隔膜的微觀結(jié)構(gòu)。隔膜的多孔結(jié)構(gòu)是鋰離子傳輸?shù)闹饕ǖ馈ｋS著溫度的升高，隔膜材料的分子運(yùn)動加劇，可能導(dǎo)致隔膜的孔徑擴(kuò)大或孔隙率增加，從而進(jìn)一步促進(jìn)離子的傳輸。然而，過高的溫度可能導(dǎo)致隔膜材料的軟化或熔化，破壞其多孔結(jié)構(gòu)，進(jìn)而降低離子傳輸效率。隔膜A在高溫下表現(xiàn)出較高的離子電導(dǎo)率，表明其材料在高溫下仍能保持較好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。
三、總結(jié)
本文通過實(shí)驗測試了隔膜在不同溫度下的離子電導(dǎo)率變化，發(fā)現(xiàn)溫度對隔膜離子電導(dǎo)率有顯著影響。隨著溫度的升高，隔膜的離子電導(dǎo)率呈現(xiàn)上升趨勢，但不同隔膜的離子電導(dǎo)率隨溫度變化的速率有所不同。隔膜A在高溫下表現(xiàn)出較高的離子電導(dǎo)率，表明其材料在高溫下仍能保持較好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。溫度對隔膜離子電導(dǎo)率的影響不僅與隔膜材料的微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)，還與電解液的粘度變化密切相關(guān)。因此，全面深入了解溫度對隔膜微觀結(jié)構(gòu)和電解液性能的影響，對于優(yōu)化鋰離子電池的性能和安全性具有重要意義。通過合理選擇隔膜材料和電解液，可以有效提高鋰離子電池在寬溫度范圍內(nèi)的性能，延長電池的使用壽命。
產(chǎn)品咨詢&定制服務(wù)
元能科技是一家專注于鋰離子電池檢測儀器研發(fā)與生產(chǎn)的高新技術(shù)企業(yè)，致力于為全球新能源領(lǐng)域提供領(lǐng)先的檢測解決方案與服務(wù)。
元能科技注重前沿技術(shù)研發(fā)，擁有材料、物理、化學(xué)、電化學(xué)、光學(xué)、機(jī)械、電子、計算機(jī)、人工智能等多學(xué)科多專業(yè)交叉的研發(fā)團(tuán)隊，圍繞表征方法、設(shè)備技術(shù)、應(yīng)用方案等開展自主研發(fā)，推出多款行業(yè)領(lǐng)先的新型儀器，獲得了多項發(fā)明專利及實(shí)用新型專利，服務(wù)于全球眾多材料企業(yè)、電芯企業(yè)、終端企業(yè)、科研院所、高校及政府檢測單位。同時，元能科技積極推動建立行業(yè)上下游規(guī)范統(tǒng)一的檢測方法，主導(dǎo)或參與制定多項國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)，參與國家重點(diǎn)研發(fā)計劃，助力新能源行業(yè)的創(chuàng)新與發(fā)展！
