Temperature Dependence of Puncture Strength of Separators

Význam tématu

Testování mechanické odolnosti separátorů lithium-iontových baterií je klíčové pro zajištění bezpečného provozu a minimalizaci rizika zkratu, požáru či exploze. Separátor zamezuje kontaktu kladné a záporné elektrody a jeho poškození má přímý dopad na životnost a provozní spolehlivost baterií používaných v mobilních zařízeních, notebookech i elektromobilech.

Cíle a přehled studie / článku

Cílem studie je demonstrovat možnost měření propichovací pevnosti oddělovacích vrstev bateriových separátorů při různých provozních teplotách. Autoři ukazují, jak se mění mechanická odolnost tří komerčních typů separátorů (označených jako Company A, B a C) při pokojové teplotě, 60 °C a 90 °C.

Použitá metodika a instrumentace

Pro realizaci testů byla využita následující instrumentace:

• Univerzální zkušební stroj AGS-V se zatěžovací kapacitou do 500 N
• Kompaktní termostatická komora TCE-N300A pro stabilizaci teploty vzorku
• Speciální „boil-in-bag“ propichovací přípravek s maticemi pro rychlou výměnu vzorků
• Klecový (cage-type) přípravek zajišťující aplikaci zatížení v tahu, čímž se eliminuje riziko vzniku vzpěrné deformace při stlačování

Testovací parametry:

• Rychlost testu: 50 mm/min
• Předpětí (preload): 0,1 N
• Počet opakování: 3 vzorky každého typu
• Provozní teploty: pokojová teplota, 60 °C, 90 °C

Hlavní výsledky a diskuse

Se stoupající teplotou klesla propichovací pevnost všech tří typů separátorů. Při pokojové teplotě dosahovaly průměrné hodnoty síly přerušení odezvy 5,29 N (Company A), 3,47 N (B) a 2,88 N (C). Při 60 °C se pevnost snížila na 74–69 % původních hodnot a při 90 °C přibližně na polovinu (52,6–51,0 %). Ze tří testovaných materiálů vykazoval materiál od Company A nejmenší úbytek pevnosti při 60 °C.

Přínosy a praktické využití metody

Díky nasazení kompaktní termostatické komory a přípravku s jednoduchou výměnou vzorků lze snadno simulovat reálné provozní podmínky. Vysoká reprodukovatelnost a přesnost zpracování výsledků umožňují využití této metody v:

• kontrole kvality a vývojových pracích na separátorech
• ověřování dlouhodobé stability mechanických vlastností materiálů
• optimalizaci výroby a materiálového složení separátorů

Budoucí trendy a možnosti využití

Očekává se rozšíření testů o komplexní teplotní cykly a vlhkostní podmínky, integrace zobrazovacích technik (např. termografie nebo mikroskopie) a využití umělé inteligence pro analýzu průběhů síly a identifikaci kritických poškození. Dále lze uvažovat o miniaturizovaných testovacích naklápěcích čipech pro rychlou screeningovou analýzu nových materiálů.

Závěr

Puncture testy provedené v termostatické komoře potvrdily význam teploty na mechanickou pevnost separátorů lithium-iontových baterií. Metoda umožňuje spolehlivě kvantifikovat pokles odolnosti materiálů při vystavení vyšším teplotám a poskytuje cenné informace pro vývoj bezpečnějších bateriových systémů.

Reference

• Shimadzu Corporation: Application Note 01-00912-EN, First Edition: Oct. 2025