A review of Functional Separators for Lithium Metal Battery Applications

Table 1.
Gurley value, ionic conductivity, MacMullin of a PP
/
PE
/
PP separator and CNT separators as a
function of the IPA-water composition ratio [
46
]. Copyright (2012) ROYAL SOCIETY OF CHEMISTRY.
IPA-Water Ratio
(vol
/
vol%)
Gurley Value
[s 100cm
−
3
Air]
Ionic Conductivity
[mS cm
−
1
]
MacMullin Number
60
/
40
Too high to be
determined
0.02
337.6
80
/
20
850
0.53
14.1
95
/
5
496
0.75
10.1
100
/
0
487
0.77
9.9
PP
/
PE
/
PP separator
500
0.73
10.3
2.5. Chemical and Electrochemical Stability
The separator must be an electronic insulator [
41
]. Additionally, it should be electrochemically
stable under redox reaction potentials. Using cyclic voltammetry or linear sweep voltammetry,
electrochemical redox processes can be obtained to predict the stability of the separator [
44
]. For example,
experiments were conducted to analyze the stability of a separator by measuring the cyclic performance
using Li
|
Li symmetric cells [
47
]. In addition, chemical and electrochemical stability were analyzed by
observing changes in the chemical state of the elements in the separator during the charge
/
discharge
process using X-ray photoelectron microscopy and Fourier transform infrared spectroscopy [
47
].

---

Materials
2020
,
13
, 4625
5 of 37
2.6. Thermal Stability
The separator should be stably maintained over a wide temperature range [
41
]. The thermal
stability of the separator is characterized using the melt integrity and the “shutdown function.”
The melt integrity temperature is the temperature at which the separator can no longer maintain its
mechanical properties, and the ideal melt integrity temperature is 200
◦
C or higher [
44
]. The separator
begins melting down under abnormally high temperatures. Thus, it blocks the Li-ion conduction by
eliminating the pores. This process is called the shutdown function. When it attains the shutdown
temperature, the polymeric separator begins melting the pores and blocking the ionic flow. Mechanical
integrity should be maintained to prevent contact between electrodes after shutdown [
45
]. Zhao et al.
measured the shutdown performance of separators (Figure
2
). They confirmed the shutdown process
in PP
/
PE
/
PP and PE
/
Polyimide (PI)
/
S separators at 140
◦
C for 0.5 h and reported that the resistance
increased after shutdown [
48
].
Materials 
2020
, 
13
, x 
5 of 38 
example, experiments were conducted to analyze the stability of a separator by measuring the cyclic 
performance using Li|Li symmetric cells [47]. In addition, chemical and electrochemical stability 
were analyzed by observing changes in the chemical state of the elements in the separator during the 
charge/discharge process using X-ray photoelectron microscopy and Fourier transform infrared 
spectroscopy [47]. 
2.6. Thermal Stability 
The separator should be stably maintained over a wide temperature range [41]. The thermal 
stability of the separator is characterized using the melt integrity and the “shutdown function.” The 
melt integrity temperature is the temperature at which the separator can no longer maintain its 
mechanical properties, and the ideal melt integrity temperature is 200 °C or higher [44]. The separator 
begins melting down under abnormally high temperatures. Thus, it blocks the Li-ion conduction by 
eliminating the pores. This process is called the shutdown function. When it attains the shutdown 
temperature, the polymeric separator begins melting the pores and blocking the ionic flow. 
Mechanical integrity should be maintained to prevent contact between electrodes after shutdown 
[45]. Zhao et al. measured the shutdown performance of separators (Figure 2). They confirmed the 
shutdown process in PP/PE/PP and PE/Polyimide (PI)/S separators at 140 °C for 0.5 h and reported 
that the resistance increased after shutdown [48].