什么是薄型隔膜和固態電解質？

隔膜對電池功能至關重要，它是正負極之間的物理屏障，但又允許離子通過從而實現可充放電循環。簡而言之，整個電池的電化學反應都是圍繞隔膜作為半多孔膜來展開的。

Zong等人的研究指出，薄型隔膜具有三大優勢：高能量密度、低內阻和低成本。[1]盡管所有隔膜在高溫下都容易發生收縮和變形，但過薄的隔膜機械強度和穿刺強度會降低，使得發生機械性能失效和短路的可能性隨之上升。此外，隔膜還會與電解液產生副反應，使隔膜機械性能發生改變，因為電解液中的溶劑和鹽類可能會使隔膜塑化，從而降低隔膜的剛度，使其更容易發生形變。[2]因此，很有必要對隔膜進行專門機械性能測試甚至浸泡環境下的機械性能測試。

另一種提高電池能量密度的方法是用固態電解質替代易燃的電解液和隔膜，也就是固態電池(SSBs)。固態電池具有多方面優勢，包括具有更寬的工作溫度范圍、更高的安全性、更高的能量密度，以及比傳統鋰電池更快的充電速度。全固態電池的失效大多是由于機械性能失效，這也是為何薄型隔膜或者固態電解質的機械性能如此重要。[3]凝膠聚合物電解質是一種混合物，其中聚合物基質含有電解液，所以也稱為半固態電池。凝膠聚合物電解質在電池性能以及可彎折方面具有獨特的優勢，其中彎折性能也是機械性能的重要表現。[4]

DMA在薄膜材料評估中的應用

要確保薄型隔膜的有效性和安全性，就需要預估其在實際應用條件下會產生怎樣的形變。為此，我們推薦采用動態熱機械分析(DMA)，這種熱分析技術可測量材料在不同時間下對應力、應變和溫度的響應，從而分析其機械性能。

DMA是模擬電池工作溫度和機械載荷的理想技術，可以幫助研發人員評估隔膜能否保持機械完整性或發生機械性能失效。研發人員利用DMA可分析隔膜的以下性能：

利用DMA測試薄型隔膜和固態電解質

正如Yan等人所演示的那樣，包括薄型隔膜在內的薄膜材料，可通過在TA儀器Discovery DMA 850使用拉伸夾具進行精準溫控下的測試，以預測隔膜在極端條件下的機械性能。[5]

DMA 850上的薄膜測試圖

如Sheidaei等人的研究所示，隔膜還可以在TA儀器DMA上進行浸泡測試。[6]浸泡測試尤其重要，因為研究表明，電解液對浸沒其中的隔膜的機械性能產生的影響非常明顯。

DMA還可測量拉伸強度和楊氏模量，也可以通過測量材料形變(屈服)點和斷裂點來預估隔膜的機械強度。[6]儲能模量是DMA能提供的另一個重要的可測試性能，能反映材料在高溫下的軟化和熔融行為。[7]

我們以隔膜為例，使用DMA進行黏彈性實驗，圖1為無涂層和有涂層隔膜的儲能模量、損耗模量和tan δ隨溫度變化的曲線，測量樣品隨溫度變化的機械響應。[7]如圖可知，在達到較高溫度之前，無涂層和有涂層隔膜的儲能模量值相近，在較高溫度下，無涂層樣品開始軟化和熔融，儲能模量明顯下降，而有涂層隔膜即使在高溫條件下也具有高穩定性。該實驗條件下，有涂層隔膜表現出更高的溫度穩定性。在薄膜上涂覆無機材料可進一步提高機械性能和熱性能。

圖1：無涂層和有涂層隔膜的

儲能模量、損耗模量和tan δ曲線

薄型材料的測試設備

沃特世-TA儀器提供三款適用于新型隔膜和固態電解質DMA測試方案：

DMA 850是專注于模量、黏彈性分析和常用力學測試的鋰電研發人員的理想設備。動態熱機械分析儀能全面呈現隔膜的機械性能和熱性能，幫助研發人員確保研發的薄膜材料能夠在實際應用條件下穩定工作。

RSA-G2是用于固體力學分析的另一款高精度儀器。其雙頭設計能夠精確控制變形和應力測量，提供更純粹的力學數據。該儀器可以幫助研發人員進行材料的復雜力學模擬，例如Ihuaenyi等人曾用RSA-G2進行隔膜在溶劑中的浸泡測試。[3]RSA-G2還具備介電熱分析(DETA)功能，可實現材料電性能和機械性能的同步分析。

另一個選擇是Discovery HR混合型流變儀，這款多功能、高精度的儀器可測量材料的流動和變形行為。除了DMA模式，混合型流變儀還非常適合用于優化電池漿料，包括利用流變-阻抗和介電附件進行流變學和電學的同步測量。它也非常適合研究凝膠聚合物電解質在剪切、拉伸和壓縮作用下的黏彈性特性。

DMA如何支持隔膜和電解質的創新開發

隨著電池技術向更薄的隔膜和創新電解質方向發展，機械完整性變得比以往任何時候都更加重要。薄型隔膜雖能實現更高的能量密度，但也更容易發生機械性能和熱性能的衰減；固態電池的剛性界面又存在易開裂和分層的情況，也需要機械性能分析；而凝膠聚合物電解質具有可彎曲性能，也需要進行精細的黏彈性分析。

下方圖2是一個全固態電解質的分析案例。[8]

圖2：不同Li2S含量的全固態電解質楊氏模量分析

電池活性材料的體積在充放電過程會發生反復變化，這種體積變化會導致電極顆粒破碎，形成裂紋，最終導致電池容量衰減。固態電解質不能填補裂縫，因此抑制全固態電池的碎裂至關重要。

體積變化產生的應力集中在固/固界面，如電極/電解質和電解質/電解質界面，為了防止界面處的應力集中，固態電解質應具有彈性變形。通過DMA 850可以輕松獲得不同Li2S含量的全固態電解質楊氏模量。

研發人員借助TA儀器的方案來模擬真實的電池條件(如高溫、機械應力和電解質暴露等)并量化材料響應，以確保研發的材料能滿足安全和性能要求。DMA提供了一種可靠、穩健的方法來評估隔膜在現實條件下的性能，確保電池能量密度的創新不會以犧牲安全性或性能為代價。

DMA 850、RSA-G2和HR混合型流變儀均擁有專為電池研究量身定制的高精度測試能力。無論是在循環過程中評估機械強度，還是預測材料軟化和失效，DMA都能幫助研發人員設計出性能穩定的隔膜和固態電解質，為下一代高性能、更安全的電池提供支持。

Discovery DMA 850

TA儀器Discovery DMA的核心技術優勢：

本文由TA儀器的Morgan Ulrich和Hang Lau博士撰寫，王偉華校對。