CN108155328A - 电池用隔离膜及其制备方法 - Google Patents

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CN108155328A CN201711440540.1A CN201711440540A CN108155328A CN 108155328 A CN108155328 A CN 108155328A CN 201711440540 A CN201711440540 A CN 201711440540A CN 108155328 A CN108155328 A CN 108155328A
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詹世英
马美品
李海军
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Abstract

本发明公开了一种电池用隔离膜及其控制方法。该电池用隔离膜设置在所述电池的正极和负极之间，其特征在于，所述隔离膜包括基体和设置在基体表面的涂层，所述涂层的材料含有热敏电阻材料。本发明提供的电池用隔离膜在基体的表面设置有涂层，且涂层的材料包含有热敏电阻材料，当电池所在环境温度超过一定温度时，热敏电阻材料的电阻会突然增大数个数量级，使得整个电池内阻增大，从而有效防止热失控现象的发生。

Description

电池用隔离膜及其制备方法
技术领域
本发明涉及电池技术领域，具体涉及一种电池用隔离膜及其制备方法。
背景技术
锂电池以其高比能量、长循环寿命、无记忆效应、安全可靠以及快速充放电等优点而成为新型电源技术研究的热点,目前已经广泛地应用在可携式电子产品以及新能源电动车上。锂电池包括正极片、负极片和隔离膜，隔离膜位于正极片和负极片中间，防止正负极直接接触而产生短路；同时由于隔膜中具有大量曲折贯通的微孔，允许离子传导使电化学反应得以进行。现有的锂电池存在如下问题：
在非正常情况下，电池内部异常升温时，隔离膜会发生热收缩使得正负极接触而发生内部短路，进而发生热失控。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的之一是提供一种能够有效防止电池热失控的隔离膜及其控制方法。
为达上述目的，一方面，本发明采用如下技术方案：
一种电池用隔离膜，所述隔离膜设置在所述电池的正极和负极之间，所述隔离膜包括基体和设置在基体表面的涂层，所述涂层的材料含有热敏电阻材料。
优选地，所述热敏电阻材料在所述涂层的材料中所占的固化后质量百分比为38wt％至48wt％，例如38wt％、39wt％、42wt％、45wt％、48wt％；
优选地，所述热敏电阻材料包括有机聚合物复合热敏材料或无机金属氧化物热敏材料；
优选地，所述有机聚合物复合热敏材料包括聚乙烯、聚丙烯和科琴黑、乙炔黑复合物；
优选地，所述无机金属氧化物热敏材料包括锶掺杂的三氧化二钒。
优选地，所述涂层的材料还含有陶瓷材料；
优选地，所述陶瓷材料在所述涂层的材料中所占的百分比为40wt％至54wt％，例如40wt％、42wt％、43wt％、47wt％、50wt％、51wt％、54wt％；
优选地，所述陶瓷材料包括三氧化铝、二氧化硅、氧化锆、氮化铝、氮化硼、勃母石中的一种或几种的混合物；
优选地，所述陶瓷材料形成为非球形颗粒；
优选地，所述非球形颗粒为经过表面修饰的非球形颗粒；
优选地，表面修饰方式为球磨；
优选地，所述非球形颗粒中包括至少两种粒径不同的陶瓷颗粒；
优选地，所述至少两种粒径不同的陶瓷颗粒包括第一陶瓷颗粒和第二陶瓷颗粒，其中，所述第一陶瓷颗粒的粒径与第二陶瓷颗粒的粒径的比例为4:1至6:1，例如4:1、4.5:1、5:1、5.5:1、6:1；
优选地，所述第一陶瓷颗粒的粒径为450nm至550nm，例如450nm、480nm、500nm、530nm、550nm；
优选地，所述第一陶瓷颗粒的比表面积与所述第二陶瓷颗粒的比表面积为7:10至8:10，例如7:10、7.2：10、7.5:10、7.8:10、8:10；
优选地，所述第一陶瓷颗粒的比表面积为24m2/g至30m2/g；
优选地，在所述陶瓷材料中，所述第一陶瓷颗粒与所述第二陶瓷颗粒的重量比为1.5至2.1，例如1.5、1.7、1.9、2.1。
优选地，所述涂层的材料还含有粘结剂；
优选地，所述粘结剂在所述涂层的材料中所占的百分比为8wt％至12wt％，例如8wt％、9wt％、11wt％、12wt％；
优选地，所述粘结剂为聚偏氟乙烯或聚四氟乙烯。
优选地，所述热敏电阻材料的居里点温度为110℃至130℃，例如110℃、113℃、115℃、120℃、121℃、123℃、125℃、127℃、130℃；
优选地，当所述热敏电阻材料所在环境超过其居里点温度时，其电阻的增长速率为90至110ppm/℃，例如90ppm/℃、92ppm/℃、98ppm/℃、100ppm/℃、103ppm/℃、110ppm/℃；
优选地，当所述热敏电阻材料所在环境超过其居里点温度时，其电阻最高值为1450至1550GΩ，例如为1450GΩ、1460GΩ、1480GΩ、1500GΩ、1508GΩ、1535GΩ、1550GΩ；
优选地，所述涂层的厚度为2至4μm，例如2μm、2.1μm、2.3μm、2.5μm、2.7μm、3μm、3.2μm、3.6μm、3.8μm、4μm。
另一方面，本发明采用以下技术方案：
一种电池用隔离膜的制备方法，所述制备方法包括：
将粉状的热敏电阻材料和第一粘结剂加入到第一溶剂中形成第一浆料；
将所述第一浆料涂覆到基体的表面。
再一方面，本发明采用以下技术方案：
一种电池用隔离膜的制备方法，所述制备方法包括：
将粉状的热敏电阻材料加入到第一溶剂中形成第一浆料；
将陶瓷颗粒加入到第二溶剂中形成第二浆料；
将所述第一浆料和所述第二浆料混合得到混合涂覆液；
将混合涂覆液涂覆到基体的表面；
将涂覆后的隔离膜烘干，优选在一定温度和风速的条件下烘干。
优选地，所述第一溶剂中还加入有第一粘接剂；和/或，
所述第二溶剂中还加入有第二粘接剂。
优选地，所述热敏电阻材料为锶掺杂的三氧化二钒，所述第一粘结剂为聚四氟乙烯，加入到所述第一溶剂中的锶掺杂的三氧化二钒与所述聚四氟乙烯的质量比为8:1至10:1，例如8:1、8.5:1、8.7:1、9:1、9.3:1、9.5:1、9.8:1、10:1；
优选地，所述第二粘结剂为聚偏氟乙烯，加入到所述第二溶剂中的陶瓷颗粒与所述聚偏氟乙烯的质量比为10:1至12:1，例如10:1、10.3:1、10.5:1、10.6:1、10.8:1、11:1、11.3:1、11.5:1、11.7:1、12:1。
优选地，所述第一溶剂和/或第二溶剂为N-甲基吡咯烷酮。
本发明提供的电池用隔离膜在基体的表面设置有涂层，且涂层的材料包含有热敏电阻材料，当电池所在环境温度超过一定温度时，热敏电阻材料的电阻会突然增大数个数量级，使得整个电池内阻增大，从而有效防止热失控现象的发生。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1示出本发明提供的隔离膜与现有隔离膜在不同温度下的内阻变化示意图。
具体实施方式
以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件并没有详细叙述。
此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。
除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
本申请提供了一种电池用隔离膜及其控制方法，隔离膜设置在电池的正极和负极之间，从而避免电池的正负极直接接触造成短路。隔离膜包括基体和设置在基体表面的涂层，基体为常用的聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)等材料。涂层的材料中含有热敏电阻材料，当电池所在环境温度超过一定温度时，热敏电阻材料的电阻会突然增大数个数量级，使得整个电池内阻增大，从而有效防止热失控现象的发生。
热敏电阻材料可根据具体的电池型号、电池的应用场景等因素进行选择，优选地，热敏电阻材料的居里点温度为110℃至130℃，热敏电阻材料所在环境超过其居里点温度时，其电阻的增长速率为1450至1550GΩ，电阻所能达到的最高值为，如此，能够有效防止热失控现象的发生。进一步优选地，热敏电阻材料的居里点温度为120℃，热敏电阻材料所在环境超过其居里点温度时，其电阻的增长速率为100ppm/℃，电阻所能达到的最高值为1508GΩ。
具体地，热敏电阻材料可以选择有机聚合物复合热敏材料，例如聚乙烯、聚丙烯和科琴黑、乙炔黑复合物，还可以选择无机金属氧化物热敏材料，例如锶掺杂的三氧化二钒。
为了提高隔离膜的机械强度和耐穿刺度，优选地，涂层的材料还含有陶瓷材料，陶瓷材料例如可以为三氧化铝、二氧化硅、氧化锆、氮化铝、氮化硼、勃母石中的一种或几种的混合物。
优选地，陶瓷材料形成为经过表面修饰的非球形颗粒，其表面修饰方式为球磨，进一步优选地，非球形颗粒中包括至少两种粒径不同的陶瓷颗粒，不同粒径的非球形陶瓷颗粒搭配能够减小堆积密度，从而提供更大的孔隙率，另外，在不同粒径的非球形陶瓷颗粒中的小粒径的颗粒能够实现更有效的覆盖，减少空腔面积，减少微短路大发生，将各种粒径的陶瓷颗粒按特定比例混合后，既提高了隔离膜的机械强度，又提高了耐高温热稳定性，进而提高了锂电池的安全性。
本申请还提供了上述隔离膜的制备方法，下面给出制备方法的各种具体实施例：
实施例一：
本实施例的制备方法包括如下步骤：
涂覆液的制备：
将锶掺杂的三氧化二钒球磨形成粉状的三氧化二钒粉末，球磨时间为3.5小时，将粉状的三氧化二钒粉末和聚四氟乙烯以8:1的质量比加入到溶剂N-甲基吡咯烷酮中混合形成涂覆液；
涂覆步骤：
将涂覆液涂覆到基体的表面，涂覆的厚度为4μm；
烘干步骤：
将涂覆后的隔离膜烘干，得到隔离膜。
得到的隔离膜中由于含有三氧化二钒，当设置有该隔离膜的电池所在环境温度超过一定温度时，三氧化二钒的电阻会突然增大数个数量级，使得整个电池内阻增大，从而有效防止热失控现象的发生。
实施例二：
本实施例的制备方法包括如下步骤：
第一浆料的制备：
将锶掺杂的三氧化二钒球磨形成粉状的三氧化二钒粉末，球磨时间为2.5小时，将粉状的三氧化二钒粉末和聚四氟乙烯以10:1的质量比加入到溶剂N-甲基吡咯烷酮中混合形成第一浆料；
第二浆料的制备：
将陶瓷颗粒和聚偏氟乙烯以10:1的质量比加入到溶剂N-甲基吡咯烷酮中混合形成第二浆料，陶瓷颗粒的粒径大致相同，陶瓷颗粒选自三氧化铝、二氧化硅、氧化锆、氮化铝、氮化硼、勃母石颗粒中的一种或几种的混合物；
混合浆料的制备：
将第一浆料和第二浆料按质量比45:55混合均匀，得到混合浆料；
涂覆步骤：
将涂覆液涂覆到基体的表面，固化后得到隔离膜，涂覆的厚度为2μm；
烘干步骤：
将涂覆后的隔离膜烘干，得到隔离膜。
得到的隔离膜中由于含有三氧化二钒，当设置有该隔离膜的电池所在环境温度超过一定温度时，三氧化二钒的电阻会突然增大数个数量级，使得整个电池内阻增大，从而有效防止热失控现象的发生，另外，由于隔离膜中含有陶瓷材料，能够提高隔离膜的机械强度。
实施例三：
本实施例的制备方法包括如下步骤：
第一浆料的制备：
将锶掺杂的三氧化二钒球磨形成粉状的三氧化二钒粉末，球磨时间为3小时，将粉状的三氧化二钒粉末和聚四氟乙烯以9:1的质量比加入到溶剂N-甲基吡咯烷酮中混合形成第一浆料；
第二浆料的制备：
将陶瓷颗粒和聚偏氟乙烯以92:8的质量比加入到溶剂N-甲基吡咯烷酮中混合形成第二浆料，其中，陶瓷颗粒包含第一陶瓷颗粒和第二陶瓷颗粒，第一陶瓷颗粒的中位粒径为500nm，比表面积为27m2/g，第二陶瓷颗粒的中位粒径为100nm，比表面积为39m2/g，第一陶瓷颗粒和第二陶瓷颗粒的重量比为65:35，第一陶瓷颗粒和第二陶瓷颗粒选自三氧化铝、二氧化硅、氧化锆、氮化铝、氮化硼、勃母石颗粒中的一种或几种的混合物；
混合涂覆液的制备：
将第一浆料和第二浆料按质量比45:55混合均匀，得到混合浆料；
涂覆步骤：
将涂覆液涂覆到基体的表面，固化后得到隔离膜，涂覆的厚度为3μm；
烘干步骤：
将涂覆后的隔离膜烘干，得到隔离膜。
得到的隔离膜中由于含有三氧化二钒，当设置有该隔离膜的电池所在环境温度超过一定温度时，三氧化二钒的电阻会突然增大数个数量级，使得整个电池内阻增大，从而有效防止热失控现象的发生，采用两种粒径的非球形陶瓷颗粒搭配能够减小堆积密度，从而提供更大的孔隙率，另外，小粒径的颗粒能够实现更有效的覆盖，减少空腔面积，减少微短路大发生，将两种粒径的陶瓷颗粒按特定比例混合后，既提高了隔离膜的机械强度，又提高了耐高温热稳定性，进而提高了锂电池的安全性。
实施例四：
本实施例的制备方法包括如下步骤：
第一浆料的制备：
将锶掺杂的三氧化二钒球磨形成粉状的三氧化二钒粉末，球磨时间为3小时，将粉状的三氧化二钒粉末和聚四氟乙烯以9:1的质量比加入到溶剂N-甲基吡咯烷酮中混合形成第一浆料；
第二浆料的制备：
将陶瓷颗粒和聚偏氟乙烯以12:1的质量比加入到溶剂N-甲基吡咯烷酮中混合形成第二浆料，其中，陶瓷颗粒包含第一陶瓷颗粒和第二陶瓷颗粒，第一陶瓷颗粒的中位粒径为450nm，比表面积为24m2/g，第二陶瓷颗粒的中位粒径为75nm，比表面积为30m2/g，第一陶瓷颗粒和第二陶瓷颗粒的重量比为1.5:1，第一陶瓷颗粒和第二陶瓷颗粒选自三氧化铝、二氧化硅、氧化锆、氮化铝、氮化硼、勃母石颗粒中的一种或几种的混合物；
混合涂覆液的制备：
将第一浆料和第二浆料按质量比40:55混合均匀，得到混合浆料；
涂覆步骤：
将涂覆液涂覆到基体的表面，固化后得到隔离膜，涂覆的厚度为3μm；
烘干步骤：
将涂覆后的隔离膜烘干，得到隔离膜。
得到的隔离膜中由于含有三氧化二钒，当设置有该隔离膜的电池所在环境温度超过一定温度时，三氧化二钒的电阻会突然增大数个数量级，使得整个电池内阻增大，从而有效防止热失控现象的发生，采用两种粒径的非球形陶瓷颗粒搭配能够减小堆积密度，从而提供更大的孔隙率，另外，小粒径的颗粒能够实现更有效的覆盖，减少空腔面积，减少微短路大发生，将两种粒径的陶瓷颗粒按特定比例混合后，既提高了隔离膜的机械强度，又提高了耐高温热稳定性，进而提高了锂电池的安全性。
实施例五：
本实施例的制备方法包括如下步骤：
第一浆料的制备：
将锶掺杂的三氧化二钒球磨形成粉状的三氧化二钒粉末，球磨时间为3小时，将粉状的三氧化二钒粉末和聚四氟乙烯以9:1的质量比加入到溶剂N-甲基吡咯烷酮中混合形成第一浆料；
第二浆料的制备：
将陶瓷颗粒和聚偏氟乙烯以12:1的质量比加入到溶剂N-甲基吡咯烷酮中混合形成第二浆料，其中，陶瓷颗粒包含第一陶瓷颗粒和第二陶瓷颗粒，第一陶瓷颗粒的中位粒径为550nm，比表面积为30m2/g，第二陶瓷颗粒的中位粒径为137nm，比表面积为42m2/g，第一陶瓷颗粒和第二陶瓷颗粒的重量比为2.1:1，第一陶瓷颗粒和第二陶瓷颗粒选自三氧化铝、二氧化硅、氧化锆、氮化铝、氮化硼、勃母石颗粒中的一种或几种的混合物；
混合涂覆液的制备：
将第一浆料和第二浆料按质量比50:55混合均匀，得到混合浆料；
涂覆步骤：
将涂覆液涂覆到基体的表面，固化后得到隔离膜，涂覆的厚度为3μm；
烘干步骤：
将涂覆后的隔离膜烘干，得到隔离膜。
得到的隔离膜中由于含有三氧化二钒，当设置有该隔离膜的电池所在环境温度超过一定温度时，三氧化二钒的电阻会突然增大数个数量级，使得整个电池内阻增大，从而有效防止热失控现象的发生，采用两种粒径的非球形陶瓷颗粒搭配能够减小堆积密度，从而提供更大的孔隙率，另外，小粒径的颗粒能够实现更有效的覆盖，减少空腔面积，减少微短路大发生，将两种粒径的陶瓷颗粒按特定比例混合后，既提高了隔离膜的机械强度，又提高了耐高温热稳定性，进而提高了锂电池的安全性。
对比例：
常规12μm的聚丙烯隔离膜，与实施例三中的基体相同。
将对比例的隔离膜与实施例三的隔离膜的透气度、孔隙率、穿刺强度、热收缩率进行对比，其中透气度、孔隙率使用压水法孔径分析仪进行测试，穿刺强度使用拉力试验机进行测试，热收缩率使用热收缩试验机进行测试。对比结果如下表所示：
将对比例与实施例三按照相同工艺装配成5272115型号的软包锂离子电池并进行热烘箱实验，将电池放置于烘箱内测试不同温度下电池内阻的变化，变化情况如图1所示，有图1可知，采用实施例三的软包锂离子电池具有更强的高温适应性。
本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各优选方案可以自由地组合、叠加。
应当理解，上述的实施方式仅是示例性的，而非限制性的，在不偏离本发明的基本原理的情况下，本领域的技术人员可以针对上述细节做出的各种明显的或等同的修改或替换，都将包含于本发明的权利要求范围内。

Claims (10)

1.一种电池用隔离膜，所述隔离膜设置在所述电池的正极和负极之间，其特征在于，所述隔离膜包括基体和设置在基体表面的涂层，所述涂层的材料含有热敏电阻材料。
2.根据权利要求1所述的隔离膜，其特征在于，所述热敏电阻材料在所述涂层的材料中所占的固化后质量百分比为38wt％至48wt％；
优选地，所述热敏电阻材料包括有机聚合物复合热敏材料或无机金属氧化物热敏材料；
优选地，所述有机聚合物复合热敏材料包括聚乙烯、聚丙烯和科琴黑、乙炔黑复合物；
优选地，所述无机金属氧化物热敏材料包括锶掺杂的三氧化二钒。
3.根据权利要求1所述的隔离膜，其特征在于，所述涂层的材料还含有陶瓷材料；
优选地，所述陶瓷材料在所述涂层的材料中所占的百分比为40wt％至54wt％；
优选地，所述陶瓷材料包括三氧化铝、二氧化硅、氧化锆、氮化铝、氮化硼、勃母石中的一种或几种的混合物；
优选地，所述陶瓷材料形成为非球形颗粒；
优选地，所述非球形颗粒为经过表面修饰的非球形颗粒；
优选地，表面修饰方式为球磨；
优选地，所述非球形颗粒中包括至少两种粒径不同的陶瓷颗粒；
优选地，所述至少两种粒径不同的陶瓷颗粒包括第一陶瓷颗粒和第二陶瓷颗粒，其中，所述第一陶瓷颗粒的粒径与第二陶瓷颗粒的粒径的比例为4:1至6:1；
优选地，所述第一陶瓷颗粒的粒径为450nm至550nm；
优选地，所述第一陶瓷颗粒的比表面积与所述第二陶瓷颗粒的比表面积为7:10至8:10；
优选地，所述第一陶瓷颗粒的比表面积为24m2/g至30m2/g；
优选地，在所述陶瓷材料中，所述第一陶瓷颗粒与所述第二陶瓷颗粒的重量比为1.5至2.1。
4.根据权利要求1所述的隔离膜，其特征在于，所述涂层的材料还含有粘结剂；
优选地，所述粘结剂在所述涂层的材料中所占的百分比为8wt％至12wt％；
优选地，所述粘结剂为聚偏氟乙烯或聚四氟乙烯。
5.根据权利要求1至4之一所述的隔离膜，其特征在于，所述热敏电阻材料的居里点温度为110℃至130℃；
优选地，当所述热敏电阻材料所在环境超过其居里点温度时，其电阻的增长速率为90至110ppm/℃；
优选地，当所述热敏电阻材料所在环境超过其居里点温度时，其电阻最高值为1450至1550GΩ。
6.根据权利要求1至4之一所述的隔离膜，其特征在于，所述涂层的厚度为2至4μm。
7.一种如权利要求1、2、4至6之一所述的电池用隔离膜的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
将粉状的热敏电阻材料和第一粘结剂加入到第一溶剂中形成第一浆料；
将所述第一浆料涂覆到基体的表面。
8.一种如权利要求3至6之一所述的电池用隔离膜根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
将粉状的热敏电阻材料和第一粘结剂加入到第一溶剂中形成第一浆料；
将陶瓷颗粒和第二粘结剂加入到第二溶剂中形成第二浆料；
将所述第一浆料和所述第二浆料混合得到混合涂覆液；
将所述混合涂覆液涂覆到基体的表面；
将涂覆后的隔离膜烘干。
9.根据权利要求7或8所述的制备方法，其特征在于，所述热敏电阻材料为锶掺杂的三氧化二钒，所述第一粘结剂为聚四氟乙烯，加入到所述第一溶剂中的锶掺杂的三氧化二钒与所述聚四氟乙烯的质量比为8:1至10:1。
10.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述第二粘结剂为聚偏氟乙烯，加入到所述第二溶剂中的陶瓷颗粒与所述聚偏氟乙烯的质量比为10:1至12:1。
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