背景
提到隔膜穿刺測試，首先想到的可能是GB/T 36363或GB/T 37841中規定的“耐穿刺性測試方法”。該方法類比的是外部尖銳異物（如金屬碎屑、碰撞硬物）快速刺入電池的場景，導致隔膜瞬間破損、正負極直接接觸引發的突發短路，重點評估電池在“急性機械破壞”下的安全性（如是否起火、爆炸）。

但在電池實際工況中，更具普遍性的風險來自電池內部，且呈現“慢速漸進”特徵，主要分為兩類。一類是鋰枝晶穿刺：當電池長期快充、低溫充電或過充時，負極會析出金屬鋰形成鋰枝晶；這些細如髮絲的晶體並非瞬間刺破隔膜，而是隨著充放電逐循環逐步生長、擠壓，最終以“毫米級/小時”的速度穿透隔膜。另一類是金屬異物穿刺：生產過程中殘留的極片碎屑，物料中殘留的微小金屬顆粒，會在電池振動、擠壓或充放電膨脹收縮過程中，以緩慢速度持續磨損、擠壓隔膜，最終突破隔膜屏障引發內短路。因此，相比常規快速穿刺，慢速穿刺（如 1-100μm/s）更能還原類似枝晶穿刺的“緩慢短路”特徵，可以為評估電池長期後充放電後安全風險提供更貼合真實的情況。
 

圖1. 快速穿刺（左）和慢速穿刺（右）
 

當前市場上的穿刺試驗機設備品類繁雜且價格差異極大。高階試驗機機型價格偏高且功能冗餘，操作複雜度高。中低階機型多數不支援≤100μm/s 的慢速測試，即便部分機型宣稱可慢速運行，也存在力值精度差、慢速穩定性不足的問題。

IEST慢速針刺設備
IEST依託自身成熟的設備研發基礎與技術優勢，特別研發了一款桌面式隔膜穿刺設備SP-100，適用於隔膜等樣品的慢速穿刺實驗。其核心優勢如圖2所示，除了保證基礎的慢速穿刺測試外，更憑藉輕量化、微型化設計實現了便捷操作。

SP-100採用GB/T 36363同款穿刺針 (出廠值R0.5，其它尺寸可客製化，類比不同異物)，速度範圍覆蓋5-100μm/s，力值解析度≤0.01N；具隔膜專用環形夾具（鏤空區域預設10mm，大小可調），並預設完整軟體功能，可自動記錄力-位移曲線，計算穿刺強度等。
 

圖2. SP-100核心優勢

穿刺實驗的關鍵事項
穿刺實驗需嚴格遵循“測厚—固定—穿刺—記錄”的標準化流程，同時需重點關注以下關鍵事項，以保障測試結果的準確性與可靠性。

試樣固定與受力均勻化
測試時，需將隔膜試樣平整固定在上下兩個金屬夾持環之間，確保試樣在測試過程中無滑動、無褶皺，保證穿刺力垂直作用於試樣中心，避免因受力偏移導致的測試誤差。GB/T 37841-2019標準中明確規定的“雙圈標記法”，就是用來判斷隔膜穿刺實驗中試樣是否滑動的有效方式。若隔膜滑動或者受力明顯不均，可能導致測試結果異常；具體表現在：1）穿刺孔洞形狀偏差，如隔膜帶狀撕裂、孔洞一側偏向等；2）穿刺應力-位移曲線偏差，如曲線多個拐點，穿刺後應力未呈迅速衰減趨勢等（如圖3所示）。

 

圖3. 隔膜穿刺實驗異常（a/b）和標準資料（c）
 

穿刺速率的恒定控制
無論快速穿刺還是慢速穿刺實驗，恒定速率測試可有效避免因穿刺速度波動導致的“暫態衝擊力差異”，為不同實驗室、不同批次的測試資料建立可比性基礎。圖4展示了同一隔膜樣品在不同速度下的穿刺實驗結果，可見穿刺速度越快，穿刺伸長量和穿刺位移通常越大；但由於整體處於慢速穿刺範圍，資料整體差異相對平緩。
 

圖4. 某隔膜不同速度穿刺實驗曲線

關鍵資料的即時捕捉
隔膜被穿刺的瞬間過程極短，需依託高取樣速率、高精度的負載感測器與位移感測器，才能同步收集並記錄穿刺過程中的兩個核心參數——耐穿刺力（試樣被穿透時的最大力值）和穿刺伸長量（從穿刺針接觸試樣到穿透時的位移距離）。結合預選得到的試樣厚度，可進一步計算出耐穿刺強度（單位厚度的耐穿刺力），實現對隔膜抗穿刺性能的多方面的數據量化。圖5和圖6，展示了不同孔隙率PE隔膜、不同CCS塗層（PE基底）隔膜的穿刺實驗結果。需要說明的是，隔膜的穿刺性能受基材、厚度、塗層特性、微孔結構、生產技術、添加劑類型及含量等多重因素的影響。
 

圖5. 不同孔隙率PE隔膜穿刺實驗結果

圖6. 不同CCS塗層（PE基底）隔膜穿刺實驗結果

其它的注意事項
1）溫           度：測試時，如果溫度波動較大，不僅可能影響儀器狀態，還可能導致試樣性能不穩定，例如低溫環境下隔膜剛性增強，可能出現耐穿刺力虛高的情況。
2）穿刺針檢查：需對穿刺針做定期檢查，如果針尖磨損或尺寸異常，會直接影響力值資料，可參照GB/T 37841中“每1000次使用後顯微鏡檢查”的要求執行。

固態電池樣品的測試
近年來，隨著固態電池技術的發展，其材料層面（如電解質膜片、複合正負極極片等），也有同樣穿刺測試需求，來驗證單一材料及材料間介面的機械穩定性，為電池層面安全性能提供基礎資料支撐。IEST的SP-100憑藉其輕量化和微型化設計，可放置於手套箱內開展固態樣品測試；其專用環形夾具也能靈活適配不同厚度、不同層數的樣品測試。圖7展示了某固態電解質-負極複合極片穿刺實驗曲線，類似的結果更能篩選出機械性能與電化學性能匹配的材料。

圖7. 某固態電解質-負極複合極片穿刺實驗曲線

總結
隨著動力電池隔膜向薄型化、複合化方向發展，對實驗探究的精細化、精准化要求日益提高。SP-100桌上型慢速度穿刺設備作為“輕量化檢測工具”，憑藉其“精准、靈活”的優勢，可以為隔膜研發與生產品管中提供寶貴的資料支持。針對固態電池材料層面的相關測試和應用，IEST也在持續努力開發新型固態專用夾具、探索更穩定測試方法。

資料來源：IEST元能科技
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