CN107732107A - 一种锂离子电池陶瓷隔膜的制备方法 - Google Patents

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刘文卿
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Abstract

本发明公开了一种锂离子电池陶瓷隔膜的制备方法，其包括以下步骤：S1.将多孔基材置于一真空室内，将铝材置于一蒸发机构内，所述蒸发机构设置在所述真空室内，当真空室内的真空度达到阈值要求后，铝材在蒸发机构中持续熔化、蒸发形成铝蒸汽，使多孔基材浸于该铝蒸汽中；S2.多孔基板下方设置一氧气喷射装置，将氧气沿多孔基材表面喷出；S3.分布在多孔基材表面的氧气与金属铝蒸汽直接反应后生成氧化铝，所述氧化铝镀敷在多孔基材表面形成陶瓷层，得到锂离子电池陶瓷隔膜。本发明制备出的陶瓷隔膜既能使陶瓷层的厚度大大降低，从而大大增加电池能量密度，降低生产成本，又能提高陶瓷层与基材结合力。

Description

一种锂离子电池陶瓷隔膜的制备方法
技术领域
本发明涉及一种锂离子电池陶瓷隔膜的制备方法。
背景技术
目前，商品化的锂离子电池中采用的主要是具有微孔结构的聚烯烃类隔膜材料，如聚乙烯(Polyethylene,PE)、聚丙烯(Polypropylene,PP)的单层或多层膜。由于聚合物本身的特点，虽然聚烯烃隔膜在常温下可以提供足够的机械强度和化学稳定性，但在高温条件下则表现出较大的缺点，如易受热变形，导致正负极相互接触而发生内部短路，最终可能会发生热失控或者爆炸，在安全方面存在很大的隐忧。同时，由于受制备工艺的限制，这类隔膜被硬物刺穿后，会遭受不可逆的伤害。因此，目前普遍采用陶瓷隔膜，即在现有的聚烯烃微孔膜基材的表面上，单面或双面涂布一层均匀的、由陶瓷微颗粒等构成的保护层，形成多孔性的安全性功能隔膜。在保证聚烯烃微孔隔膜原有基本特性的基础上，赋予隔膜高耐热功能，降低隔膜的热收缩性，从而更有效地减少锂离子电池内部短路，防止因电池内部短路而引起的电池热失控。
从目前的工艺来看，陶瓷隔膜的制备方式主要是将陶瓷粉体(主要是纳米或亚微米的氧化物粉末，如Al2O3、SiO2、TiO2等)、粘结剂等分散在溶剂中形成浆料，再通过微凹辊转移涂布，流延法或浸渍法等在聚烯烃隔膜基材表面形成陶瓷涂层，这种传统的方法存在如下缺点：
(1)陶瓷涂层较厚，其厚度通常在2-5μm之间。
(2)陶瓷涂层通常需要在粘结剂的作用下与基材结合，粘合力不强容易掉粉；
(3)由于满足涂覆的陶瓷材料和胶成本高，且涂覆速度较慢(30-50m/min)，导致该工艺成本较高。
发明内容
有鉴于此，为了克服上述缺点，本发明的目的在于提供一种锂离子电池陶瓷隔膜的制备方法，使得制备出的锂离子电池陶瓷隔膜既能使陶瓷层的厚度大大降低，从而大大增加电池能量密度，降低生产成本，又能提高陶瓷层与基材结合力。
所采用的技术方案为：
一种锂离子电池陶瓷隔膜的制备方法，包括以下步骤：
S1.将多孔基材置于一真空室内，将铝材置于一蒸发机构内，所述蒸发机构设置在所述真空室内，当真空室内的真空度达到阈值要求后，铝材在蒸发机构中持续熔化、蒸发形成铝蒸汽，使多孔基材浸于该铝蒸汽中；
S2.多孔基板下方设置一氧气喷射装置，将氧气沿多孔基材表面喷出；
S3.分布在多孔基材表面的氧气与金属铝蒸汽直接反应后生成氧化铝，所述氧化铝镀敷在多孔基材表面形成陶瓷层，得到锂离子电池陶瓷隔膜。
进一步地，所述多孔基材的材质为PE、PP、PP/PE/PP复合膜、PVDF类、PI类或PET类。或者其他的高分子材料。
进一步地，所述多孔基材的厚度为5-20μm。
进一步地，在所述多孔基材邻近处设置一金属网，该金属网设有加热装置，使金属网的温度可控。该金属网的作用是为了调整并控制陶瓷层的孔径和孔隙率，保证低的电阻和高的离子电导率，对锂离子有较好的透过性。金属网加热或控制金属网温度的作用是为了防止蒸汽在金属网上冷凝堵塞金属网的网孔。
进一步地，所述金属网的两侧分别设置所述氧气喷射装置，使得氧气能从多孔基材表面的两侧喷出。
进一步地，所述金属网放置在氧气喷射装置的下方或上方。
进一步地，所述多孔基材的上下表面均镀敷有氧化铝层。
进一步地，通过控制金属铝蒸汽的密度及氧气的喷射速率来控制陶瓷层的厚度，使陶瓷层的厚度为10-50nm。
在本发明中，S1中的铝材可以用Si材、Ti材、Zr材或Mg材代替。从而使陶瓷层不局限于Al2O3,还可以为SiO2、TiO2、ZrO2或MgO等。
本发明的有益效果在于:
(1)陶瓷层的厚度可以为10-50nm，可使陶瓷隔膜的厚度大大降低，大大提高电池的能量密度；
(2)与传统方法得到的陶瓷隔膜相比，本发明得到的陶瓷隔膜其陶瓷层与多孔基材的结合力更强；
(3)本发明为真空蒸发镀铝工艺或称为真空反应蒸镀工艺，原材料为铝及氧气，原料成本低且消耗少，同时采用真空蒸发镀铝的工艺，大大节约工艺成本，是传统涂布陶瓷氧化铝工艺成本的1/3以内。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明锂离子电池陶瓷隔膜的制备方法的流程示意图；
图2为用于本发明锂离子电池陶瓷隔膜的制备方法中的设备结构示意图；
图3为实施例1的测试陶瓷隔膜的SEM图片；
图4为实施例2的测试陶瓷隔膜的SEM图片。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明优选的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
参见图1和图2所示，一种锂离子电池陶瓷隔膜的制备方法，包括以下步骤：
S1.将多孔基材1置于一真空室2内，通过输送装置自动输送，将铝材3置于一蒸发机构4内，所述蒸发机构4设置在所述真空室2内，当真空室2内的真空度达到阈值要求后，铝材3在蒸发机构4中持续熔化、蒸发形成铝蒸汽5，使多孔基材1浸于该铝蒸汽中；其中，真空度可通过真空机组6实现，真空度的阈值要求可通过设置真空机组的参数实现；多孔基材1下方设置一金属网7，多孔基材的材质为PE(或选PP、PP/PE/PP复合膜、PVDF类、PI类或PET类均可)，多孔基材的厚度为10μm；
S2.多孔基板1下方设置一氧气喷射装置8，并在金属网7的两侧分别设置氧气喷射装置8，使得氧气能从多孔基材表面的两侧喷出。
S3.分布在多孔基材表面的氧气与金属铝蒸汽直接反应后生成氧化铝，多孔基材双面往返卷绕连续蒸镀，蒸镀速度达300m/min以上，多孔基材的上下表面均镀敷有氧化铝层；氧化铝层镀敷在多孔基材表面形成陶瓷层，得到锂离子电池陶瓷隔膜，通过控制金属铝蒸汽的密度(调节对铝材的加热功率)及氧气的喷射速率来控制陶瓷层的厚度，使陶瓷层的厚度为30nm。
对该30nm镀层的陶瓷隔膜进行SEM测试，测试照片参见图3所示。
从图3所示的30nm镀层的隔膜SEM照片可以看出，图中陶瓷层覆盖均匀，但没有造成陶瓷隔膜的大量堵孔现象。
实施例2
参照实施例1，与实施例1不同的是，通过控制金属铝蒸汽的密度及氧气的喷射速率来控制陶瓷层的厚度，使陶瓷层的厚度为100nm。对该100nm镀层的陶瓷隔膜进行SEM测试，测试照片参见图4所示。
从图4所示的100nm镀层的SEM照片可以看出，图中陶瓷层覆盖均匀，但造成了陶瓷隔膜的大量堵孔现象，所以和下面的测试结果吻合，透气度(Gur ley值)显著增大，不能满足使用要求。
将实施例1与实施例2得到的陶瓷隔膜进行透气度(Gur ley值)和热收缩率的测试，测试数据如下表1:
表1真空反应蒸镀工艺不同陶瓷层厚度的透气度和热收缩率与原膜对比
其中，透气度测量采用100CC gur ley-4110N，热收缩率采用130℃恒温60min测量隔膜收缩率。
从而可得到如下结论：
(1)采用真空反应蒸镀工艺得到的陶瓷隔膜热收缩率基本不变，当陶瓷层为30nm厚时，透气度(Gur ley值)增大不明显，而陶瓷层增加至100nm厚时，隔膜出现了大量的堵孔现象，透气度(Gur ley值)显著增高，不能满足使用，因此，陶瓷层的厚度优选为10-50nm；
(2)陶瓷层的厚度为10-50nm，可使陶瓷隔膜的厚度大大降低，大大提高电池的能量密度；
(3)与传统方法得到的陶瓷隔膜相比，本发明得到的陶瓷隔膜其陶瓷层与多孔基材的结合力更强；
(4)原材料为铝及氧气，原料成本低且消耗少，同时采用真空蒸发镀铝的工艺，蒸镀速度可以达到300m/min以上，大大节约工艺成本，是传统涂布陶瓷氧化铝工艺成本的1/3以内。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种锂离子电池陶瓷隔膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.将多孔基材置于一真空室内，将铝材置于一蒸发机构内，所述蒸发机构设置在所述真空室内，当真空室内的真空度达到阈值要求后，铝材在蒸发机构中持续熔化、蒸发形成铝蒸汽，使多孔基材浸于该铝蒸汽中；
S2.多孔基板下方设置一氧气喷射装置，将氧气沿多孔基材表面喷出；
S3.分布在多孔基材表面的氧气与金属铝蒸汽直接反应后生成氧化铝，所述氧化铝镀敷在多孔基材表面形成陶瓷层，得到锂离子电池陶瓷隔膜。
2.根据权利要求1所述的锂离子电池陶瓷隔膜的制备方法，其特征在于，所述多孔基材的材质为PE、PP、PP/PE/PP复合膜、PVDF类、PI类或PET类。
3.根据权利要求1所述的锂离子电池陶瓷隔膜的制备方法，其特征在于，所述多孔基材的厚度为5-20μm。
4.根据权利要求1所述的锂离子电池陶瓷隔膜的制备方法，其特征在于，在所述多孔基材邻近处设置一金属网，该金属网设有加热装置，使金属网的温度可控。
5.根据权利要求4所述的锂离子电池陶瓷隔膜的制备方法，其特征在于，所述金属网的两侧分别设置所述氧气喷射装置，使得氧气能从多孔基材表面的两侧喷出。
6.根据权利要求5所述的锂离子电池陶瓷隔膜的制备方法，其特征在于，所述金属网放置在氧气喷射装置的下方或上方。
7.根据权利要求1所述的锂离子电池陶瓷隔膜的制备方法，其特征在于，所述多孔基材的上下表面均镀敷有氧化铝层。
8.根据权利要求1所述的锂离子电池陶瓷隔膜的制备方法，其特征在于，通过控制金属铝蒸汽的密度及氧气的喷射速率来控制陶瓷层的厚度，使陶瓷层的厚度为10-50nm。
9.一种锂离子电池陶瓷隔膜的制备方法，其特征在于，S1中的铝材用S i材、T i材、Zr材或Mg材代替。
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