编审：Thor，Dysonian
锂离子电池中的隔膜越厚，越不利于提高电池倍率性能，因此隔膜厚度一般比较薄，这也有利于减少锂离子在隔膜中的扩散阻力。
虽然有一些研究发现降低隔膜厚度有利于提高电池的速率性能，但都停留在定性层面，定量研究隔膜厚度对电池倍率性能的影响很有必要。
近日，权威期刊Journal of The Electrochemical Society上发表了一篇题为“Quantifying the Effect of Separator Thickness on Rate Performance in Lithium-Ion Batteries”的文章。为了定量阐明隔膜厚度对电池倍率性能的影响，研究人员组装了三元半电池系统，研究了不同隔膜厚度(16~144 μm)对电池倍率性能的影响，发现当隔膜厚度小于65 μm时，反映倍率性能的特征时间呈线性增长趋势，而且隔膜厚度对倍率性能的影响主要是由于电解液电阻效应所致。
1）当隔膜从单层增加到4层时，反映电池倍率性能的特征时间呈线性增长趋势，斜率为5.8x106 s·m−1，随后增长趋势放缓。
2）电解液电阻对电池倍率性能的影响大于隔膜内离子扩散阻力的影响。
1. 分割网络结构
图1 (A)~(B)正极的SEM图像；(C)~(E)隔膜厚度为16 μm，电流密度为16 mA·g−1时，半电池的电化学性能。@ECS
在制备正极材料时，研究者加入了0.5wt%的单壁碳纳米管(CNTs)作为粘结和导电剂。从电极的SEM图像可以看到，20 μm的球形三元材料被CNTs包裹其中，形成了分隔网络结构（图1A~B），有利于提高电极的电子导电性。循环伏安和充放电测试表明，在16 mA·g−1的电流密度下，电池放电容量为170 mAh·g−1（图1C），循环25次后，电池容量平均值为170.0±0.6 mAh·g−1 (图1E)。
2. 隔膜越厚阻力越大
图2 叠层隔膜的性能。（A）四层隔膜的横截面SEM图像；(B)~（C）交流阻抗谱测定隔膜的离子电导率(σS)。@ECS
为了改变隔膜厚度，研究者将单层16 μm的隔膜进行堆叠，叠9层后隔膜厚度就能达到144 μm。为了研究隔膜厚度增加对电解液扩散阻力的影响， 他们采用交流阻抗谱（EIS）进行评估。从16和128 μm隔膜的奈奎斯特图可以看到，随着隔膜厚度的增加，电解质电阻RElectrlyte显著增加，这是由于离子扩散路径变长所致（图2B~C）。他们还拟合了RElectrlyte与离子电导率σS、隔膜厚度和截面积之间的函数关系， 发现σS为0.04±0.01 S·m−1。
3. 膜厚与倍率呈线性关系
图3 隔膜厚度对电池倍率性能的影响。(A)三种不同隔膜厚度的电池比容量(Q/M)与倍率(R)曲线；(B) 低倍率下电池比容量Q/M随隔膜厚度的变化；(C)倍率指数n和(D)特征时间τ随隔膜厚度的变化。@ECS
研究者从计时电流瞬变法得到了电池比容量(Q/M)与充放电倍率(R)之间的关系，R倍率与常用的C倍率不同，R-1表示的是实际充放电时间。他们发现，较薄隔膜的电池在高倍率下的比容量会更高（图3A），这就定量证实了隔膜变薄可以改善电池倍率性能的说法。
随后，研究者又采用如下所示的模型，做了进一步定量分析。
其中QM、特征时间τ和倍率指数n为拟合参数
他们首先研究了低倍率下，比容量随隔膜厚度的变化，发现在研究的隔膜厚度范围内Q/M恒定在173.4±1.8 mAh·g−1，体积比容量Q/V也保持在349±67 mAh·cm−3（图3B）。随后，他们又拟合了特征时间τ和倍率指数n随隔膜厚度的变化，发现n从单层隔膜的0.7，略微增加到了4层隔膜的0.8，随后呈波动趋势（图3C）。同时，当隔膜从单层增加到4层时，τ几乎呈线性增长趋势，斜率为5.8x106 s·m−1，随后增长放缓，在600 s达到饱和（图3D）。这些结果均反映了增加隔膜厚度不利于电池倍率性能的改善，同时他们还认为隔膜内的离子扩散对倍率性能的影响远不如电解液电阻的影响显著。
研究者以三元-碳纳米管作为正极材料组成了半电池系统，采用半经验方程拟合了电池容量与倍率数据，定量分析了隔膜厚度对电池倍率性能的影响。发现当隔膜厚度小于65 μm时，随着隔膜厚度的增加，反应电池倍率性能的特征时间τ几乎线性增长，表明电池倍率性能的下降。他们认为，隔膜内电解液电阻是影响电池倍率性能的主要因素，其影响程度大于隔膜中离子扩散阻力的影响。
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