CN107767993A - 具有导电功能的薄膜及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有导电功能的薄膜，包括绝缘的薄膜基体和分布于所述薄膜基体上的若干导电微粒，当所述薄膜基体的温度低于或者等于预定温度时，若干所述导电微粒是电导通的，当所述薄膜基体的温度高于所述预定温度时，所述薄膜基体膨胀使得若干所述导电微粒分开而相互绝缘，薄膜具有可逆性和可重复利用性，适用于电池安全领域。本发明还公开一种具有导电功能的薄膜的制备方法，包括制作导电微粒；将所述导电微粒和薄膜基体粉末均匀混合并制作成混合物溶液；将所述混合物溶液涂覆在基板上制作形成薄膜。该方法工艺简单，成本较低，材料的选择性较大，可根据工作温度的不同选择热膨胀性不同的薄膜基体材料，以更好地控制导电微粒的电导通或者绝缘。
Description
技术领域
本发明涉及电池安全领域领域，尤其涉及一种具有导电功能的薄膜及其制备方法。
背景技术
锂离子电池被广泛的应用于电子产品中，经过几十年的发展，锂离子的能量密度、功率密度和循环寿命都有了很大的提高，但是电池的安全性能仍然是一个未解决的问题，因此电池的安全问题阻碍了锂离子电池的发展。
锂离子的电池的过程中，为了保持最佳的性能，通常要对其电流密度、电压以及工作温度给予限制。由于锂离子电池的化学特性，使用过程中，如果出现过充、短路等其他问题，会可能引发一系列放热反应，从而造成电池内部温度的上升，压力升高，最终引起电池爆炸、起火等安全问题。
目前锂离子电池为避免上述现象，会在电池顶部安装限压开关，当电池内压超过额定值时开关能自动断路，也有使用正温度系数电阻器，当电池因过充升温时，增大电池的内阻，从而限制过充电流，但是在电池的内部，压力的上升和温度的升高往往比电池外部更急剧，因此这些外部设备并不能及时检测到电池的安全问题。
现有的从内部解决锂离子电池的安全问题的方案主要有三种：开发新型的隔离材料、使用电解液添加剂以及使用热敏型集流体。其中隔离材料主要通过在温度升高时切断电池工作条件或者提高电池的耐热性来实现对电池的保护，比如使用双层或三层的隔离膜，比如双层PP/PE，双层PP/PP，三层PP/PE/PP，也有使用单层加陶瓷涂覆作为隔离材料，比如PP+陶瓷涂覆，PE+陶瓷涂覆。无论使使用哪种隔离材料，一旦启动了保护机制，过程是不可逆的，虽然可以及时阻断电池工作，但是电池无法继续使用。常用的电解液添加剂有阻燃添加剂和过充电保护添加剂，添加剂的使用需要提高他们的工作电压范围和循环的稳定性。虽然使用不易燃或者固态的电解液可以避免添加挥发性溶剂，但是这种电解液的离子传导率很低，因此电池的性能会有所下降。热敏电阻型集流体具有简单、便携的特点，但是由于其室温下电导率低并且有相当大的漏电流，一直无法普及。
发明内容
鉴于现有技术存在的不足，本发明提供了一种可随着温度变化而改变导电性能的薄膜
为了实现上述的目的，本发明采用了如下的技术方案：
一种具有导电功能的薄膜，包括绝缘的薄膜基体和分布于所述薄膜基体上的若干导电微粒，当所述薄膜基体的温度低于或等于预定温度时，若干所述导电微粒是电导通的，当所述薄膜基体的温度高于所述预定温度时，所述薄膜基体膨胀使得若干所述导电微粒分开而相互绝缘。
优选地，所述导电微粒包括刺状基体和包覆于所述刺状基体外表面的导电层。
优选地，所述导电层的制作材料为石墨烯。
优选地，所述刺状基体为刺状的导电金属微粒。
优选地，所述刺状基体为纳米刺状镍粉微粒。
优选地，所述薄膜基体为聚合物薄膜。
优选地，所述薄膜基体为聚乙烯薄膜基体或者环氧树脂薄膜基体。
优选地，所述导电微粒的平均粒径范围为0.5μm～10μm。
本发明还提供了一种具有导电功能的薄膜的制备方法，包括如下步骤：
制作导电微粒；
将所述导电微粒和薄膜基体粉末均匀混合并制作成混合物溶液；
将所述混合物溶液涂覆在基板上制作形成薄膜。
优选地，所述导电微粒与所述薄膜基体粉末的物质的量之比为1:10～1:2。
本发明提供的一种具有导电功能的薄膜，采用具有良好热膨胀性材料用作薄膜基体，当温度超过预定温度时薄膜的导电性消失，当温度低于预定温度时薄膜的导电性恢复，薄膜具有可逆性和可重复利用性，适用于电池安全领域。本发明公开的具有导电功能的薄膜的制备方法，其制备工艺简单，成本较低，且材料的选择性较大，可根据工作温度的不同选择热膨胀性不同的薄膜基体材料，以更好地控制导电微粒的电导通或者绝缘。
附图说明
图1为本发明实施例的低于预定温度时薄膜示意图。
图2为本发明实施例的高于预定温度时薄膜示意图。
图3为本发明实施例的低于预定温度时薄膜剖面图。
图4为本发明实施例的高于预定温度时薄膜剖面图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1和图2所示，本发明实施例提供的具有导电功能的薄膜包括绝缘的薄膜基体10均匀地分布于薄膜基体10上的若干导电微粒20，薄膜基体10采用具有良好热膨胀性的材料制成，当薄膜基体10的温度低于或等于预定温度时，若干导电微粒20是电导通的，当薄膜基体10的温度高于预定温度时，薄膜基体10膨胀使得若干导电微粒20分开而相互绝缘。这样薄膜可随着温度的变化而改变其导电性能，该薄膜可用于电池安全领域，将薄膜设置于电池的电极和电解质之间，当电池的温度升高到预定的安全温度时，薄膜基体10膨胀使得薄膜不导电从而断开电池通路，保证安全，当电池的温度降到低于预定的安全温度时，薄膜基体10收缩使得导电微粒20电导通，从而恢复电池通路，因此薄膜可重复利用。
作为优选实施例，如图1所示，导电微粒20包括刺状基体21和包覆于刺状基体21外表面的导电层22，其中刺状基体21可由导电的金属材料制成，也可由绝缘材料制成，刺状基体21用于提供较为稳定的刺状结构。在本实施例中，导电微粒20之间的电导通一方面可通过相互接触来实现，一方面刺状结构实现量子隧穿效应，从而实现电子在导电微粒20之间流通。本实施例的刺状基体21外表面完全为刺状结构，这样当各个导电微粒20之间的距离达到一定要求时便可通过量子隧穿效应来实现电导通，不要求各个导电微粒20完全接触。当薄膜基体10膨胀时导电微粒20之间的距离增大，量子隧穿效应消失导致薄膜绝缘。
进一步地，上述的导电层22才有导电性良好且具有较强的抗氧化性的材料制成，本实施例优选采用石墨烯材料，可采用化学气相沉积法或者氧化石墨还原法将石墨烯材料包覆在刺状基体21的外表面。一方面石墨烯具有优良的导电性，易于发生量子隧穿效应，另一方面石墨烯具有良好的抗氧化性，可保证刺状基体21的稳定性。
当然在其他实施方式中，导电微粒20直接采用具有刺状外表的微粒，而不需要包覆导电材料，例如可采用纳米刺状镍粉微粒，将其均匀地设置于薄膜基体10中，也可通过量子隧穿效应来实现电导通。
在其他实施方式中，导电微粒20还可采用外面光滑的微粒，通过相互接触来实现电导通，例如可采用球体或者椭球体的导电微粒，当薄膜基体10膨胀时，导电微粒间隔从而实现绝缘。
进一步地，为了更好地实现导电微粒20之间的电导通或者相互绝缘，在制作薄膜时，采用平均粒径为0.5μm-10μm的导电微粒20，一方面可保证导电微粒20具有良好的量子隧穿效应，另一方面可保证导电微粒20之间易于产生间隔。
作为优选实施例，如图3和图4所示，薄膜基体10的厚度为50μm，薄膜基体10的内部和相对的两个侧面上均匀设置有大量的导电微粒20，且在不高于预定温度的情况下导电微粒20是相互导通的。薄膜与电池配合使用时，薄膜基体10的相对两个侧面分别抵接于电池的正极和电解质，当电池发生故障造成温度上升时，薄膜基体10膨胀使得各个导电微粒20的间距增大，使得薄膜绝缘，从而断开正极和电解质之间的通电。
当然在其他实施方式中，薄膜基体10的内部可不需要设置导电微粒20，只需要薄膜基体10外表面均匀分布相互电导通的导电微粒20，当薄膜基体10膨胀时，也可使得各个导电微粒20的间距增大，从而实现薄膜的绝缘。
进一步地，本实施例中的薄膜基体10优选采用具有良好热膨胀性的聚合物基体，例如聚合物薄膜可采用聚乙烯基体或者环氧树脂薄膜基体。当然，薄膜基体10还可采用其他具有良好热膨胀性的绝缘材料，例如聚酰胺类材料和聚酰亚胺类材料。
本发明提供的一种具有导电功能的薄膜，采用具有良好热膨胀性材料用作薄膜基体，当温度超过预定温度时薄膜的导电性消失，当温度低于预定温度时薄膜的导电性恢复，薄膜具有可逆性和可重复利用性，适用于电池安全领域。
本发明还提供了一种具有导电功能的薄膜的制备方法，其具体包括如下步骤：
步骤1：制作导电微粒20。
具体地，作为优选实施例，导电微粒20包括刺状基体21和包覆于刺状基体21外表面的导电层22，其中刺状基体21采用纳米刺状镍粉微粒，导电层22采用石墨烯，下面提供一种导电微粒20的制作方法，具体包括如下步骤：
(S1)将三乙二醇、50％的氢氧化钠溶液和镍粉按比例均匀混合，在保护气氛围中，对混合溶液进行加热，使其反应预定时间；(S2)对上述混合溶液进行固液分离得到沉淀；(S3)在真空环境和保护气氛围中对上述沉淀进行高温退火处理得到产物，该产物为导电微粒20。
具体地，在步骤(S1)中，三乙二醇的量为100～200ml，50％的氢氧化钠溶液的量为0.1～1ml，镍粉的质量为1～10g，作为优选实施例，将100ml三乙二醇、0.1ml 50％的氢氧化钠溶液和1g镍粉混合加入到三口烧瓶中，并对三口烧瓶进行加热，加热温度为170℃～200℃。加热过程中利用机械搅拌桨对溶液进行搅拌，同时通入氮气作为保护气，反应时间优选为10小时。
进一步地，在步骤(S2)中，采用离心的方式对上述混合溶液进行固液分离获得沉淀，其中离心机的转速设置为2000～3000r/min，离心时间设置为3～5min。将得到的沉淀利用酒精进行反复清洗，去除杂质，然后对沉淀进行真空干燥处理，处理时间为2至3小时。上述沉淀包括纳米刺状镍粉微粒和包覆于纳米刺状镍粉微粒外表面的石墨层。
进一步地，在步骤(S3)中，对沉淀在真空环境下进行高温退火处理时，温度设置为500℃～600℃，处理时间为2至3小时，且处理期间通入氩氮气作为保护气，经过步骤(S3)处理得到的产物为导电微粒20。
步骤2：将导电微粒20和薄膜基体10粉末均匀混合并制作混合物溶液。
作为优选实施例，薄膜基体10的材料选为聚乙烯材料，将导电微粒20与聚乙烯按预定比例均匀混合，这里两者的比例范围为1:10～1:2，若两者比例太大，即薄膜基体10中的导电微粒20的数量太少，导电微粒20之间的间距太大了，那么导电微粒20之间不易发生量子隧穿效应，那么薄膜就不导电了。若两者的比例太小，即薄膜基体10中的导电微粒20的数量太多，那么导电微粒20过于密集，当薄膜基体10发生热膨胀时，导电微粒20之间仍然发生量子隧穿效应，及薄膜不能绝缘。
步骤3：将上述的混合物溶液涂覆在基板上制作形成薄膜。
具体地，作为优选实施例，将混合物溶液涂覆在基板上后经过干燥处理得到薄膜，该薄膜的厚度和面积可根据需要进行选择，再将制备好的薄膜贴合在电池的电极上即可。当然在其他实施方式中，可在制造电池的过程中，直接将上述的混合物溶液涂覆在电池正极上，进行干燥处理后形成薄膜即可。
本发明公开的具有导电功能的薄膜的制备方法，其制备工艺简单，成本较低，且材料的选择性较大，可根据工作温度的不同选择热膨胀性不同的薄膜基体材料，以更好地控制导电微粒的电导通或者绝缘。
以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。
Claims (10)
1.一种具有导电功能的薄膜，其特征在于，包括绝缘的薄膜基体(10)和分布于所述薄膜基体(10)上的若干导电微粒(20)，当所述薄膜基体(10)的温度低于或等于预定温度时，若干所述导电微粒(20)是电导通的，当所述薄膜基体(10)的温度高于所述预定温度时，所述薄膜基体(10)膨胀使得若干所述导电微粒(20)分开而相互绝缘。
2.根据权利要求1所述的具有导电功能的薄膜，其特征在于，所述导电微粒(20)包括刺状基体(21)和包覆于所述刺状基体(21)外表面的导电层(22)。
3.根据权利要求2所述的具有导电功能的薄膜，其特征在于，所述导电层(22)的制作材料为石墨烯。
4.根据权利要求2所述的具有导电功能的薄膜，其特征在于，所述刺状基体(21)为刺状的导电金属微粒。
5.根据权利要求4所述的具有导电功能的薄膜，其特征在于，所述刺状基体(21)为纳米刺状镍粉微粒。
6.根据权利要求1所述的具有导电功能的薄膜，其特征在于，所述薄膜基体(10)为聚合物薄膜。
7.根据权利要求6所述的具有导电功能的薄膜，其特征在于，所述薄膜基体(10)为聚乙烯薄膜基体或者环氧树脂薄膜基体。
8.根据权利要求1所述的具有导电功能的薄膜，其特征在于，所述导电微粒(20)的平均粒径范围为0.5μm～10μm。
9.一种具有导电功能的薄膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
制作导电微粒(20)；
将所述导电微粒(20)和薄膜基体(10)粉末均匀混合并制作成混合物溶液；
将所述混合物溶液涂覆在基板上制作形成薄膜。
10.根据权利要求9所述的具有导电功能的薄膜的制备方法，其特征在于，所述导电微粒(20)与所述薄膜基体(10)粉末的物质的量之比为1:10～1:2。
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