一、背景

提到隔膜穿刺测试，我们首先想到的可能是国标GB/T 36363或GB/T 37841中规定的“耐穿刺性测试方法”。该方法模拟的是外部尖锐异物（如金属碎屑、碰撞硬物）快速刺入电池的场景，导致隔膜瞬间破损、正负极直接接触引发的突发短路，重点评估电池在“急性机械破坏”下的安全性（如是否起火、爆炸）。

但在电池实际工况中，更具普遍性的风险来自电池内部，且呈现“慢速渐进”特征，主要分为两类。一类是锂枝晶穿刺：当电池长期快充、低温充电或过充时，负极会析出金属锂形成锂枝晶；这些细如发丝的晶体并非瞬间刺破隔膜，而是随着充放电循环逐步生长、挤压，最终以“毫米级/小时”的速度穿透隔膜。另一类是金属异物穿刺：生产过程中残留的极片碎屑，物料中残留的微小金属颗粒，会在电池振动、挤压或充放电膨胀收缩过程中，以缓慢速度持续磨损、挤压隔膜，最终突破隔膜屏障引发内短路。因此，相比常规快速穿刺，慢速穿刺（如 1-100μm/s）更能还原类似枝晶穿刺的“缓慢短路”特征，可以为评估电池长期循环后的安全风险提供更贴合真实情况的数据支撑。

图1. 快速穿刺（上）和慢速穿刺（下）

当前市场上的穿刺试验机设备品类繁杂且价格跨度极大。高端试验机机型价格偏高且功能冗余，操作复杂度高。中低端机型多数不支持≤100μm/s 的慢速测试，即便部分机型宣称可慢速运行，也存在力值精度差、慢速稳定性不足的问题。

二、元能新研慢速针刺设备

元能科技依托自身成熟的设备研发基础与技术优势，特别研发了一款桌面式隔膜穿刺设备SP-100，适用于隔膜等样品的慢速穿刺实验。其核心优势如图2所示，除了保证基础的慢速穿刺测试外，更凭借轻量化、微型化设计实现了便捷操作。

SP-100采用GB/T 36363同款穿刺针 (默认R0.5，其它尺寸可定制，模拟不同异物)，速度范围覆盖5-100μm/s，力值分辨率≤0.01N；自带隔膜专用环形夹具（镂空区域默认10mm，大小可调），并预设完整软件功能，可自动记录力-位移曲线，计算穿刺强度等。

图2. SP-100核心优势

三、穿刺实验的关键事项

穿刺实验需严格遵循“测厚—固定—穿刺—记录”的标准化流程，同时需重点关注以下关键事项，以保障测试结果的准确性与可靠性。

1、试样固定与受力均匀化

测试时，需将隔膜试样平整固定在上下两个金属夹持环之间，确保试样在测试过程中无滑动、无褶皱，保证穿刺力垂直作用于试样中心，避免因受力偏移导致的测试误差。GB/T 37841-2019标准中明确规定的“双圈标记法”，就是用来判断隔膜穿刺实验中试样是否滑动的有效手段。若隔膜滑动或者受力明显不均，可能导致测试结果异常；具体表现在：1）穿刺孔洞形状偏差，如隔膜带状撕裂、孔洞一侧偏向等；2）穿刺应力-位移曲线偏差，如曲线多个拐点，穿刺后应力未呈迅速衰减趋势等（如图3所示）。

图3. 隔膜穿刺实验异常（a/b）和标准数据（c）

2、穿刺速率的恒定控制

无论快速穿刺还是慢速穿刺实验，恒定速率测试可有效避免因穿刺速度波动导致的“瞬时冲击力差异”，为不同实验室、不同批次的测试数据建立可比性基础。图4展示了同一隔膜样品在不同速度下的穿刺实验结果，可见穿刺速度越快，穿刺伸长量和穿刺位移通常越大；但由于整体处于慢速穿刺范畴，数据整体差异相对平缓。

图4. 某隔膜不同速度穿刺实验曲线

3、关键数据的实时捕捉

隔膜被穿刺的瞬间过程极短，需依托高采样率、高精度的负载传感器与位移传感器，才能同步采集并记录穿刺过程中的两个核心参数——耐穿刺力（试样被穿透时的最大力值）和穿刺伸长量（从穿刺针接触试样到穿透时的位移距离）。结合预先得到的试样厚度，可进一步计算出耐穿刺强度（单位厚度的耐穿刺力），实现对隔膜抗穿刺性能的多维度量化。图5和图6，展示了不同孔隙率PE隔膜、不同CCS涂层（PE基底）隔膜的穿刺实验结果。需要说明的是，隔膜的穿刺性能受基材、厚度、涂层特性、微孔结构、生产工艺、添加剂类型及含量等多重因素的影响。

图5. 不同孔隙率PE隔膜穿刺实验结果

图6. 不同CCS涂层（PE基底）隔膜穿刺实验结果

4、其它的注意事项

1）温度：测试时，如果温度波动较大，不仅可能影响仪器状态，还可能导致试样性能不稳定，例如低温环境下隔膜刚性增强，可能出现耐穿刺力虚高的情况。

2）穿刺针检查：需对穿刺针做定期检查，如果针尖磨损或尺寸异常，会直接影响力值数据，可参照国标GB/T 37841中“每1000次使用后显微镜检查”的要求执行。

5、固态电池样品的测试

近年来，随着固态电池技术的发展，其材料层面（如电解质膜片、复合正负极极片等），也有同样穿刺测试需求，来验证单一材料及材料间界面的机械稳定性，为电池层面安全性能提供基础数据支撑。元能科技SP-100凭借其轻量化和微型化设计，可放置于手套箱内开展固态样品测试；其专用环形夹具也能灵活适配不同厚度、不同层数的样品测试。图7展示了某固态电解质-负极复合极片穿刺实验曲线，类似的结果不只是简单考核 “耐穿刺力”，更能筛选出机械性能与电化学性能匹配的材料。

图7. 某固态电解质-负极复合极片穿刺实验曲线

四、小结

随着动力电池隔膜向薄型化、复合化方向发展，对实验探究的精细化、精准化要求日益提高。元能科技SP-100桌面式慢速度穿刺设备作为“轻量化检测工具”，凭借其“精准、灵活、低成本”的优势，可以为隔膜研发与生产质控中提供宝贵的数据支撑。针对固态电池材料层面的相关测试和应用，元能也在持续努力开发新型固态专用夹具、探索稳定测试方法。