CN103515557A - 电化学电源隔膜及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电化学电源隔膜及其制备方法，通过制备黏结剂及无机粉体的有机溶剂悬浮液，再将所述悬浮液涂布在制备的复合纤维隔膜基体的两侧，烘干后得到包括复合纤维隔膜基体及涂布在复合纤维隔膜基体两侧的无机粉体涂层的电化学电源隔膜。该电化学电源隔膜通过在复合纤维隔膜基体的两侧涂布导热性能良好的无机粉体，该无机粉体涂层能有效提高电源隔膜乃至整个电化学电源的散热性能，从而可以有效降低因过放、过充或短路造成的温度急剧上升导致的安全隐患，电源的稳定性能得到提高。

Description

电化学电源隔膜及其制备方法
技术领域
本发明涉及电化学电源领域，尤其涉及一种电化学电源隔膜及其制备方法。
背景技术
随着人类生产力的发展，越来越多的汽车行驶在城市、乡村的大街小巷中。汽车的普及给人们的生活带来了极大的便利。然而，伴随而来的问题也越来越严重。石油等不可再生能源的消耗不断加速，汽车尾气的排放给环境造成的影响也不断扩大。人们为了解决这些问题提出发展电动汽车，以取代传统汽车。而其中的关键在于是否有能量密度及功率密度足够大、循环寿命足够长、安全可靠的动力电池取代内燃机。电池的安全性能是电池制作过程中至关重要的一个环节。对于电化学电源（如电源锂离子电池和超级电容器等），一个重要的安全隐患就是因为过充或过放或短路导致电源内部的温度急剧升高从而导致燃烧或者爆炸。传统的电化学电源普遍采用聚合物材料制作隔膜，由于聚合物的导热性相对较差，因此当温度达到一定程度时，聚合物材料会发生收缩甚至破裂，从而导致电源内部短路造成安全隐患。
发明内容
基于此，有必要提供一种导热性能及稳定性能相对较高的电化学电源隔膜及其制备方法。
一种电化学电源隔膜，包括复合纤维隔膜基体及设在所述复合纤维隔膜基体两侧的无机粉体涂层。
在其中一个实施例中，所述复合纤维隔膜基体包括交织形成多孔结构的有机纤维与无机纤维；所述有机纤维为聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维、聚乙烯纤维、聚丙烯纤维或聚对苯二甲酰对苯二胺纤维，所述有机纤维的直径为5~40μm；所述无机纤维为玻璃纤维、石英纤维或陶瓷纤维，所述无机纤维的直径为5~40μm；所述复合纤维隔膜基体的厚度为10~50μm。
在其中一个实施例中，所述无机粉体为氧化铝粉体、氧化硅粉体、氧化镁粉体、氧化锆粉体或氧化钛粉体；所述无机粉体涂层的厚度为1~6μm。
一种电化学电源隔膜的制备方法，包括如下步骤：
将黏结剂分散在有机溶剂中制备得到质量百分比为1%~10%的黏结剂溶液或黏结剂乳液；
向所述黏结剂溶液或黏结剂乳液中加入无机粉体，搅拌均匀，制备无机粉体质量百分比为1%~50%的悬浮液；
将有机纤维与无机纤维通过黏结剂混合后均匀铺设在支撑件上，固化后去除所述支撑件形成复合纤维隔膜基体；
将所述悬浮液涂布在复合纤维隔膜基体的两侧；及
将涂布有所述悬浮液的复合纤维隔膜基体烘干，得到电化学电源隔膜。
在其中一个实施例中，所述黏结剂为聚乙烯醇、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、改性丁苯橡胶、氟化橡胶或聚氨酯。
在其中一个实施例中，所述有机溶剂为二氯甲烷、丙酮、氯仿、四氢呋喃、二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮或环己烷。
在其中一个实施例中，所述无机粉体为氧化铝粉体、氧化硅粉体、氧化镁粉体、氧化锆粉体或氧化钛粉体。
在其中一个实施例中，所述无机粉体的颗粒粒径为3~500nm。
在其中一个实施例中，所述有机纤维为聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维、聚乙烯纤维、聚丙烯纤维或聚对苯二甲酰对苯二胺纤维，所述有机纤维的直径为5~40μm；所述无机纤维为玻璃纤维、石英纤维或陶瓷纤维，所述无机纤维的直径为5~40μm；所述复合纤维隔膜基体中，所述无机纤维的质量百分比为1%~99%。
在其中一个实施例中，所述烘干是将涂布有所述悬浮液的复合纤维隔膜基体置于干燥的空气中或真空中，在40~150℃条件下干燥处理。
上述制备的电化学电源隔膜通过在复合纤维隔膜基体的两侧涂布导热性能良好的无机粉体，该无机粉体涂层能有效提高电源隔膜乃至整个电化学电源的散热性能，从而可以有效降低因过放、过充或短路造成的温度急剧上升导致的安全隐患，电源的稳定性能得到提高。此外，采用复合纤维涂布在网带上制作的隔膜基体透气性好，因此具有更好的倍率特性，进一步提升整个隔膜的散热性能。电化学电源隔膜的制备方法原理简单，对设备要求低，可以广泛推广应用。
附图说明
图1为一实施方式的电化学电源隔膜的结构示意图；
图2为图1所示电化学电源隔膜的制备流程图。
具体实施方式
下面主要结合附图及具体实施例对电化学电源隔膜及其制备方法作进一步详细的说明。
如图1所示，一实施方式的电化学电源隔膜100，其包括复合纤维隔膜基体110及设在所述复合纤维隔膜基体两侧的无机粉体涂层120。
复合纤维隔膜基体110包括有机纤维及无机纤维，其中无机纤维占复合纤维隔膜基体110的质量百分比为1%~99%。有机纤维与无机纤维交织形成多孔结构。有机纤维可以为聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）纤维、聚乙烯纤维、聚丙烯纤维或聚对苯二甲酰对苯二胺（PPTA）纤维，且有机纤维的直径为5~40μm。无机纤维为玻璃纤维、石英纤维或陶瓷纤维，且无机纤维的直径为5~40μm。在本实施方式中，复合纤维隔膜基体110的厚度为10~50μm。
无机粉体涂层120通过黏结剂涂布在复合纤维隔膜基体110的两侧。其中，无机粉体的颗粒粒径为3~500nm。无机粉体为氧化铝粉体、氧化硅粉体、氧化镁粉体、氧化锆粉体或氧化钛粉体。在本实施方式中，无机粉体涂层120的厚度为1~6μm。
该电化学电源隔膜通过在复合纤维隔膜基体的两侧涂布导热性能良好的无机粉体，该无机粉体涂层能有效提高电源隔膜乃至整个电化学电源的散热性能，从而可以有效降低因过放、过充或短路造成的温度急剧上升导致的安全隐患，电源的稳定性能得到提高。此外，采用复合纤维涂布在网带上制作的隔膜基体透气性好，因此具有更好的倍率特性，进一步提升整个隔膜的散热性能。
如图2所示，上述电化学电源隔膜的制备方法包括如下步骤：
步骤S210，将黏结剂分散在有机溶剂中制备得到黏结剂质量百分比为1%~10%的黏结剂溶液或黏结剂乳液。
其中，黏结剂可以为聚乙烯醇、聚四氟乙烯、PVDF（聚偏氟乙烯）、改性SBR（改性丁苯橡胶）、氟化橡胶或聚氨酯。有机溶剂可以为二氯甲烷、丙酮、氯仿、四氢呋喃、二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮或环己烷。
步骤S220，向上述黏结剂溶液或黏结剂乳液中加入无机粉体，搅拌均匀，制备无机粉体的质量分数为1%~50%的悬浮液。
无机粉体为氧化铝粉体、氧化硅粉体、氧化镁粉体、氧化锆粉体或氧化钛粉体，且无机粉体的颗粒粒径为3~500nm。
步骤S230，将有机纤维与无机纤维混合后通过黏结剂铺设在支撑件上，固化后去除支撑件制备无机纤维质量百分比为1%~99%的复合纤维隔膜基体。
其中，有机纤维为PET纤维、聚乙烯纤维、聚丙烯纤维或PPTA纤维，且有机纤维的直径为5~40μm。无机纤维为玻璃纤维、石英纤维或陶瓷纤维，且无机纤维的直径为5~40μm。
在本实施方式中，支撑件为一呈平面状的网带结构，在其他实施方式中，支撑件还可以为平板等结构。
步骤S240，将悬浮液涂布在复合纤维隔膜基体的两侧。
具体可以通过浸渍涂布、刮刀涂布、刮棒涂布、喷涂等方式将上述悬浮液均匀涂布在复合纤维隔膜基体的两侧。
步骤S250，将涂布有悬浮液的复合纤维隔膜基体烘干后得到上述电化学电源隔膜。
烘干过程优选在干燥的氛围中进行，如干燥的空气或真空等氛围，烘干的温度优选为40~200℃。
该电化学电源隔膜的制备方法原理简单，对设备要求低，可以广泛推广应用。
以下为具体实施例部分
实施例1
取1000g的氯仿置于容器中，向含有氯仿的容器中加入40g的聚四氟乙烯，并不停搅拌，直至完全分散形成聚四氟乙烯氯仿乳液。
向该聚四氟乙烯氯仿乳液中加入20g的平均粒径为50nm的氧化铝粉体，并搅拌均匀，得悬浮液。
将50g的平均直径为10μm的PET纤维与50g的平均直径为10μm的玻璃纤维随机且均匀的铺陈在网带上，得到复合纤维隔膜基体。
以浸渍涂布的方式将上述悬浮液涂布在复合纤维隔膜基体的两侧，在100℃的空气中干燥24小时，得电化学电源隔膜。
本实施例的化学电源隔膜的孔隙率为50%，孔径为50nm，厚度为20μm，透气率为150s/100cc，破膜温度高于200℃，说明该电化学电源隔膜的透气性好，且能够承受较高的温度，热稳定好。
实施例2
取1000g的丙酮置于容器中，向含有丙酮的容器中加入50g的PVDF，并不停搅拌，直至完全溶解形成PVDF丙酮溶液。
向该PVDF丙酮溶液中加入50g的平均粒径为200nm的二氧化硅粉体，并搅拌均匀，得悬浮液。
将20g的平均直径为10μm的PET纤维与80份的平均直径为10μm的玻璃纤维随机且均匀的铺陈在网带上，得到复合纤维隔膜基体。
以喷涂方式将上述悬浮液涂布在复合纤维隔膜基体的两侧，在100℃的真空中干燥12小时，得电化学电源隔膜。
本实施例的化学电源隔膜的孔隙率为50%，孔径为50nm，厚度为30μm，透气率为200s/100cc，破膜温度高于250℃，说明该电化学电源隔膜的透气性好，且能够承受较高的温度，热稳定好。
实施例3
取1000g的四氢呋喃置于容器中，向含有四氢呋喃的容器中加入40g的改性丁苯橡胶，并不停搅拌，直至完全溶解形成改性丁苯橡胶四氢呋喃溶液。
向该改性丁苯橡胶四氢呋喃溶液中加入30g的平均粒径为100nm的氧化镁粉体，并搅拌均匀，得悬浮液。
将50份的平均直径为10μm的PET纤维与50份的平均直径为10μm的玻璃纤维随机且均匀的铺陈在网带上，得到复合纤维隔膜基体。
以刮刀涂布方式将上述悬浮液涂布在复合纤维隔膜基体的两侧，在100℃的真空中干燥12小时，得电化学电源隔膜。
本实施例的化学电源隔膜的孔隙率为60%，孔径为40nm，厚度为25μm，透气率为150s/100cc，破膜温度高于200℃，说明该电化学电源隔膜的透气性好，且能够承受较高的温度，热稳定好。
实施例4
取1000g的NMP置于容器中，向含有NMP的容器中加入40g的PVDF，并不停搅拌，直至完全溶解形成PVDF NMP溶液。
向该PVDF NMP溶液中加入30g的平均粒径为100nm的氧化镁粉体，并搅拌均匀，得悬浮液。
将50份的平均直径为10μm的PET纤维与50份的平均直径为10μm的玻璃纤维随机且均匀的铺陈在网带上，得到复合纤维隔膜基体。
以刮刀涂布方式将上述悬浮液涂布在复合纤维隔膜基体的两侧，在100℃的真空中干燥12小时，得电化学电源隔膜。
本实施例的化学电源隔膜的孔隙率为60%，孔径为40nm，厚度为25μm，透气率为150s/100cc，破膜温度高于200℃，说明该电化学电源隔膜的透气性好，且能够承受较高的温度，热稳定好。
实施例5
取1000g的二甲基甲酰胺置于容器中，向含有二甲基甲酰胺的容器中加入40g的氟化橡胶，并不停搅拌，直至完全分散形成氟化橡胶二甲基甲酰胺溶液。
向该氟化橡胶二甲基甲酰胺溶液中加入20g的平均粒径为50nm的氧化铝粉体，并搅拌均匀，得悬浮液。
将50g的平均直径为10μm的PET纤维与50g的平均直径为10μm的玻璃纤维随机且均匀的铺陈在网带上，得到复合纤维隔膜基体。
以浸渍涂布的方式将上述悬浮液涂布在复合纤维隔膜基体的两侧，在100℃的空气中干燥24小时，得电化学电源隔膜。
本实施例的化学电源隔膜的孔隙率为50%，孔径为50nm，厚度为20μm，透气率为150s/100cc，破膜温度高于200℃，说明该电化学电源隔膜的透气性好，且能够承受较高的温度，热稳定好。
实施例6
取1000g的环己烷置于容器中，向含环己烷的容器中加入40g的聚氨酯，并不停搅拌，直至完全分散形成聚氨酯环己烷溶液。
向该聚氨酯环己烷溶液中加入20g的平均粒径为50nm的氧化铝粉体，并搅拌均匀，得悬浮液。
将50g的平均直径为10μm的PET纤维与50g的平均直径为10μm的玻璃纤维随机且均匀的铺陈在网带上，得到复合纤维隔膜基体。
以浸渍涂布的方式将上述悬浮液涂布在复合纤维隔膜基体的两侧，在100℃的空气中干燥24小时，得电化学电源隔膜。
本实施例的化学电源隔膜的孔隙率为50%，孔径为50nm，厚度为20μm，透气率为150s/100cc，破膜温度高于200℃，说明该电化学电源隔膜的透气性好，且能够承受较高的温度，热稳定好。
实施例7
取1000g的二氯甲烷置于容器中，向含有二氯甲烷的容器中加入50g的聚乙烯醇，并不停搅拌，直至完全溶解形成聚乙烯醇二氯甲烷溶液。
向该聚乙烯醇二氯甲烷溶液中加入50g的平均粒径为200nm的二氧化硅粉体，并搅拌均匀，得悬浮液。
将20g的平均直径为10μm的PET纤维与80份的平均直径为10μm的玻璃纤维随机且均匀的铺陈在网带上，得到复合纤维隔膜基体。
以喷涂方式将上述悬浮液涂布在复合纤维隔膜基体的两侧，在100℃的真空中干燥12小时，得电化学电源隔膜。
本实施例的化学电源隔膜的孔隙率为50%，孔径为50nm，厚度为30μm，透气率为200s/100cc，破膜温度高于250℃，说明该电化学电源隔膜的透气性好，且能够承受较高的温度，热稳定好。
可以理解，上述实施例所用的有机溶剂及黏结剂不限于此，如有机溶剂还可以为丙酮、四氢呋喃、二氯甲烷、氯仿、二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮（NMP）及环己烷中的多种溶剂的混合物等；黏结剂也可以为聚乙烯醇、聚四氟乙烯、PVDF（聚偏氟乙烯）、改性SBR（改性丁苯橡胶）、氟化橡胶及聚氨酯中多种黏结剂的混合物等，由于多种溶剂混合物的性质与单一溶剂相似，多种黏结剂混合的性质与单一黏结剂相似，在此不一一列举。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种电化学电源隔膜，其特征在于，包括复合纤维隔膜基体及设在所述复合纤维隔膜基体两侧的无机粉体涂层。
2.如权利要求1所述的电化学电源隔膜，其特征在于，所述复合纤维隔膜基体包括交织形成多孔结构的有机纤维与无机纤维；所述有机纤维为聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维、聚乙烯纤维、聚丙烯纤维或聚对苯二甲酰对苯二胺纤维，所述有机纤维的直径为5~40μm；所述无机纤维为玻璃纤维、石英纤维或陶瓷纤维，所述无机纤维的直径为5~40μm；所述复合纤维隔膜基体的厚度为10~50μm。
3.如权利要求1所述的电化学电源隔膜，其特征在于，所述无机粉体为氧化铝粉体、氧化硅粉体、氧化镁粉体、氧化锆粉体或氧化钛粉体；所述无机粉体涂层的厚度为1~6μm。
4.一种电化学电源隔膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
将黏结剂分散在有机溶剂中制备得到质量百分比为1%~10%的黏结剂溶液或黏结剂乳液；
向所述黏结剂溶液或黏结剂乳液中加入无机粉体，搅拌均匀，制备无机粉体质量百分比为1%~50%的悬浮液；
将有机纤维与无机纤维通过黏结剂混合后均匀铺设在支撑件上，固化后去除所述支撑件形成复合纤维隔膜基体；
将所述悬浮液涂布在复合纤维隔膜基体的两侧；及
将涂布有所述悬浮液的复合纤维隔膜基体烘干，得到电化学电源隔膜。
5.如权利要求4所述的电化学电源隔膜的制备方法，其特征在于，所述黏结剂为聚乙烯醇、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、改性丁苯橡胶、氟化橡胶或聚氨酯。
6.如权利要求4所述的电化学电源隔膜的制备方法，其特征在于，所述有机溶剂为二氯甲烷、丙酮、氯仿、四氢呋喃、二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮或环己烷。
7.如权利要求4所述的电化学电源隔膜的制备方法，其特征在于，所述无机粉体为氧化铝粉体、氧化硅粉体、氧化镁粉体、氧化锆粉体或氧化钛粉体。
8.如权利要求4所述的电化学电源隔膜的制备方法，其特征在于，所述无机粉体的颗粒粒径为3~500nm。
9.如权利要求4所述的电化学电源隔膜的制备方法，其特征在于，所述有机纤维为聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维、聚乙烯纤维、聚丙烯纤维或聚对苯二甲酰对苯二胺纤维，所述有机纤维的直径为5~40μm；所述无机纤维为玻璃纤维、石英纤维或陶瓷纤维，所述无机纤维的直径为5~40μm；所述复合纤维隔膜基体中，所述无机纤维的质量百分比为1%~99%。
10.如权利要求4所述的电化学电源隔膜的制备方法，其特征在于，所述烘干是将涂布有所述悬浮液的复合纤维隔膜基体置于干燥的空气中或真空中，在40~150℃条件下干燥处理。
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