CN108550769A - 锂离子电池隔膜的制备方法及锂离子电池 - Google Patents

锂离子电池隔膜的制备方法及锂离子电池 Download PDF

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Abstract

锂离子电池隔膜的制备方法及锂离子电池，该隔膜采用以下工艺制成：将超高分子量聚乙烯和高密聚乙烯与添加剂混合均匀；将混合均匀的粉料加入挤出机中，加入填充剂混合后，在150～250℃温度下挤出；将挤出的隔膜在10～50℃温度下进行冷却；将冷却后的隔膜进行双向同步拉伸，拉伸时的温度为80～150℃，横向拉伸的倍率为4～12倍，纵向拉伸的倍率为3～10倍；将拉伸后的隔膜萃取、热定型后收卷。本发明制备的隔在提高膜孔隙率的情况下保持了良好的穿刺强度，从而提升了电池的循环性能和倍率充放电性能，也改善了电池的长循环寿命，而且穿刺强度没有降低，不会对电池的安全性能造成不良影响。

Description

锂离子电池隔膜的制备方法及锂离子电池
技术领域
本发明属于锂离子电池技术领域，尤其涉及一种锂离子电池隔膜的制备方法及锂离子电池。
背景技术
锂离子电池因具有能量密度高、输出电压高、自放电率低、使用寿命长、无记忆效应和环境友好等优异特点获得了人们极大的关注。近几年来锂离子电池的发展突飞猛进，市场份额不断扩大，逐步取代铅酸、镍-镉和金属镍-氢化物电池，占据了市场的主导地位，已广泛应用于笔记本电脑、手机、摄像机、仪器仪表等移动电子终端设备上。随着石油等不可再生能源越来越紧缺，将锂离子电池应用在电动汽车(xEV)的需求也不断扩大，而应用于电动汽车上的启停电池对电池的充放电倍率和循环寿命提出了更高的要求。
隔膜作为锂离子电池的重要组成部分，起着分割正、负极，防止电池内部短路，允许电解质离子自由通过，完成电化学充放电过程的作用，其性能决定了电池的界面结构、内阻等，直接影响电池的容量、循环性能以及安全性能等特性。性能优异的隔膜对提高电池的综合性能具有重要的作用，被业界称为电池的“第三极”。
高倍率充放电性能及循环性能优异的锂离子电池要求隔膜的孔隙率高，但传统的锂电池隔膜生产工艺在增高孔隙率的情况下会降低隔膜的机械强度，尤其是穿刺强度。目前动力电池所使用的隔膜一般为PE、PP、PP/PE/PP复合隔膜，孔隙率在40％左右，无法满足应用在大倍率和循环性能、安全性能要求高的动力启停电池上的需求，因此，开发高孔隙率和高穿刺强度隔膜就显得非常必要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种制备具有高离子导通性的锂离子电池隔膜的方法，及使用该隔膜的锂离子电池。
为了实现上述目的，本发明采取如下的技术解决方案：
锂离子电池隔膜的制备方法，包括以下步骤：
将分子量为150万～200万的超高分子量聚乙烯和密度为0.945～0.957g/cm3的高密聚乙烯按质量份数比为1:1～10的比例进行混合；
将混合均匀的粉料加入挤出机中，加入填充剂混合后，在150～250℃温度下挤出；
将挤出的隔膜在10～50℃温度下进行冷却；
将冷却后的隔膜进行双向同步拉伸，拉伸时的温度为80～150℃，横向拉伸的倍率为4～12倍，纵向拉伸的倍率为3～10倍；
将拉伸后的隔膜萃取、热定型后收卷。
进一步的，超高分子量聚乙烯和高密聚乙烯的混合比例为1:1～5。
进一步的，在180～230℃的温度下挤出隔膜。
进一步的，在15～30℃的温度下对隔膜进行冷却。
进一步的，拉伸隔膜时，横向拉伸倍率为6～10倍，纵向拉伸倍率为5～8倍，拉伸时的温度为90～130℃。
进一步的，所述填充剂为石蜡油、邻苯二甲酸二辛脂、邻苯二甲酸二丁酯中的一种或多种混合。
进一步的，采用铸片辊对隔膜进行冷却。
锂离子电池，包括：正极片、负极片、隔膜及电解质，隔膜采用前述锂离子电池隔膜的制备方法制成。
进一步的，所述电解质为非水电解质。
由以上技术方案可知，本发明采用特定的原材料配合适当的生产工艺制得的锂离子电池隔膜，孔隙率高、穿刺强度高、离子导电性高。采用本发明方法制得的锂离子电池隔膜制成的锂离子电池，由于隔膜的孔隙率高，具有足够的电解液保持量，能够保持锂离子电池长期优异的功率性能和循环性能；由于隔膜的穿刺强度高，减少了隔膜被负极产生的锂枝晶刺穿的风险，在大倍率充电的情况下提高了电池的安全性能。
附图说明
图1为本发明实施例3制得的隔膜的扫描电镜图；
图2为对比例2制得到的隔膜的扫描电镜图；
图3为实施例1至3和对比例1、2制得的锂离子电池的倍率性能曲线图。
以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细地说明
具体实施方式
为了让本发明的上述和其它目的、特征及优点能更明显，下文特举本发明实施例，做详细说明如下。
本发明的锂离子电池隔膜采用超高分子量的聚乙烯和高密度的高密聚乙烯混合制成，制备工艺如下：
将超高分子量聚乙烯和高密聚乙烯进行混合；在混合超高分子量聚乙烯和高密聚乙烯时可加入少量用于抗氧化和增加塑化性的添加剂，添加剂的种类和用量为制备隔膜的常规种类和用量；
将混合均匀的粉料加入挤出机中，加入填充剂混合后，在150～250℃温度下挤出；挤出温度优选为180～230℃；
将挤出机挤出的隔膜在10～50℃温度下进行冷却，冷却温度优选为15～30℃；
将冷却后的隔膜进行双向拉伸，拉伸时的温度为80～150℃，横向拉伸的倍率为4～12倍，纵向拉伸的倍率为3～10倍，优选的横向拉伸倍率可为6～10倍，纵向拉伸倍率可为5～8倍，温度为90～130℃；
将拉伸后的隔膜萃取、热定型后收卷。
本发明所采用的超高分子量聚乙烯的粘均分子量为150万～200万，所采用的高密聚乙烯的密度为0.945～0.957g/cm3，两者混合时的比例为1:1～10(质量份数比)，优选为1:1～5。
所选用的填充剂为石蜡油、邻苯二甲酸二辛脂、邻苯二甲酸二丁酯等中的一种或多种混合。
下面通过具体实施例对本发明作进一步的说明。下述说明中所使用到的试剂、材料以及仪器如没有特殊的说明，均为常规试剂、常规材料以及常规仪器，均可商购获得，所涉及的试剂也可通过常规合成方法合成获得。
实施例1
将分子量为160万的超高分子量聚乙烯和密度为0.945g/cm3的高密聚乙烯按1:2的质量份数比加入混合机中，混合均匀；
将混合均匀的粉料加入到双螺杆挤出机中，加入填充剂进行混合后通过模头挤出，挤出温度为200℃，粉料与填充剂的用量比例为23:77(质量份数比)；所用模头为常规隔膜生产使用的模头；
将挤出的隔膜采用铸片辊进行冷却，铸片辊的温度为20℃，冷却后隔膜的厚度为2.3mm；
将冷却后的隔膜在125℃的温度下进行同步双向拉伸，横向拉伸倍率为8倍，纵向拉伸倍率为7.5倍；
将拉伸后的隔膜萃取、热定型后收卷，热定型温度为132℃，时间为2min。
将实施例1制得的隔膜与正极片、负极片绕成电芯，然后将电芯置于铝塑包装袋中，烘烤后注入非水电解液，经封装、化成等工序，制成电池。
本实施例的正极片、负极片及电解液采用常规工艺制备。将钴酸锂、导电碳、粘结剂(聚偏氟乙烯)按质量份数比96:2:2加入氮甲基吡咯烷酮(NMP)中混合均匀制成正极浆料，然后经涂布、压实、分条制成正极片。将石墨、导电碳、增稠剂(羧甲基纤维素钠)、粘结剂(丁苯橡胶)按质量份数比97:0.5:1.0:1.5加入去离子水中混合均匀制成负极浆料，然后经涂布、压实、分条制成负极片。将LiPF6与碳酸乙烯酯(EC)及碳酸二乙酯(DEC)配置成LiPF6浓度为1.0mol/L的溶液，其中，EC和DEC的质量份数比为6:4，得到非水电解液。
实施例2
将分子量为180万的超高分子量聚乙烯和密度为0.945g/cm3的高密聚乙烯按1:3的质量份数比后加入到混合机中，再加入一定量的添加剂，混合均匀；
将混合均匀的粉料加入到双螺杆挤出机中，加入填充剂进行混合后通过模头挤出，挤出温度为203℃，粉料与填充剂的用量比例为22:78；
将挤出的隔膜采用铸片辊进行冷却，铸片辊的温度为18℃，冷却后隔膜的厚度为2.3mm；
将冷却后的隔膜在126℃的温度下进行同步双向拉伸，横向拉伸倍率为8倍，纵向拉伸倍率为7.5倍；
将拉伸后的隔膜萃取、热定型后收卷，热定型温度为133℃，时间为2min。
将实施例2制得的隔膜与正极片、负极片绕成电芯，然后将电芯置于铝塑包装袋中，烘烤后注入非水电解液，经封装、化成等工序，制成电池。本实施例的正极片、负极片及电解液与实施例1相同。
实施例3
将分子量为180万的超高分子量聚乙烯和密度为0.945g/cm3的高密聚乙烯按1:2.5的质量份数比后加入到混合机中，再加入一定量的添加剂，混合均匀；
将混合均匀的粉料加入到双螺杆挤出机中，加入填充剂进行混合后通过模头挤出，挤出温度为205℃，粉料与填充剂的用量比例为21:79；
将挤出的隔膜采用铸片辊进行冷却，铸片辊的温度为16℃，冷却后隔膜的厚度为2.3mm；
将冷却后的隔膜在127℃的温度下进行同步双向拉伸，横向拉伸倍率为8倍，纵向拉伸倍率为7.5倍；
将拉伸后的隔膜萃取、热定型后收卷，热定型温度为135℃，时间为2min。
将实施例3制得的隔膜与正极片、负极片绕成电芯，然后将电芯置于铝塑包装袋中，烘烤后注入非水电解液，经封装、化成等工序，制成电池。本实施例的正极片、负极片及电解液与实施例1相同。
对比例1
对比例1与实施例1不同的地方在于隔膜的制备方法不同，对比例1隔膜的制备工艺如下：
将分子量为50万的高密聚乙烯加入到混合机中，再加入一定量的添加剂，混合均匀；
将混合均匀的粉料加入到双螺杆挤出机中，加入填充剂进行混合后通过模头挤出，挤出温度为180℃，粉料与填充剂的比例为32:68；
将挤出的隔膜采用铸片辊进行冷却，铸片辊的温度为25℃，冷却后隔膜的厚度为2.3mm；
将冷却后的隔膜在112℃的温度下进行同步双向拉伸，横向拉伸倍率为6倍，纵向拉伸倍率为7.5倍；
将拉伸后的隔膜萃取、热定型后收卷，热定型温度为128℃，时间为2min。
将对比例1制得的隔膜与正极片、负极片绕成电芯，然后将电芯置于铝塑包装袋中，烘烤后注入非水电解液，经封装、化成等工序，制成电池。对比例1的正极片、负极片及电解液与实施例1相同。
对比例2
对比例1与实施例1不同的地方在于隔膜的制备方法不同，对比例1隔膜的制备工艺如下：
将分子量为50万的高密聚乙烯加入到混合机中，再加入一定量的添加剂，混合均匀；
将混合均匀的粉料加入到双螺杆挤出机中，加入填充剂进行混合后通过模头挤出，挤出温度为180℃，粉料与填充剂的比例为32:68；
将挤出的隔膜采用铸片辊进行冷却，铸片辊的温度为23℃，冷却后隔膜的厚度为2.3mm；
将冷却后的隔膜在112℃的温度下进行同步双向拉伸，横向拉伸倍率为8倍，纵向拉伸倍率为7.5倍；
将拉伸后的隔膜萃取、热定型后收卷，热定型温度为126℃，时间为2min。
将对比例1制得的隔膜与正极片、负极片绕成电芯，然后将电芯置于铝塑包装袋中，烘烤后注入非水电解液，经封装、化成等工序，制成电池。对比例1的正极片、负极片及电解液与实施例1相同。
将实施例1至3和对比例1、2制得的隔膜和电池进行性能测试，测试方法参照企业标准，测试结果如表1所示。
表1
图1为实施例3制得的隔膜的扫描电镜图，图2为对比例2制得的隔膜的扫描电镜图，对比图1和图2可以看出，对比例2制得的隔膜相比实施例3制得的隔膜有大量的断裂筋枝，容易造成安全失效。同时由表1的测试结果和图3可以看出，采用本发明方法制备的锂离子电池隔膜的孔隙率在45％～48％左右，而隔膜的穿刺强度与采用常规工艺制得的孔隙率为40％左右的隔膜的穿刺强度相近。由于孔隙率的提高，增加了隔膜的保液率，从而电池的循环性能和倍率充放电性能也得到了提升，长循环寿命也得到了改善，而且穿刺强度没有降低，不会影响电池的安全性能。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽范围。

Claims (9)

1.锂离子电池隔膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将分子量为150万～200万的超高分子量聚乙烯和密度为0.945～0.957g/cm3的高密聚乙烯按质量份数比为1:1～10的比例进行混合；
将混合均匀的粉料加入挤出机中，加入填充剂混合后，在150～250℃温度下挤出；
将挤出的隔膜在10～50℃温度下进行冷却；
将冷却后的隔膜进行双向同步拉伸，拉伸时的温度为80～150℃，横向拉伸的倍率为4～12倍，纵向拉伸的倍率为3～10倍；
将拉伸后的隔膜萃取、热定型后收卷。
2.如权利要求1所述的锂离子电池隔膜的制备方法，其特征在于：超高分子量聚乙烯和高密聚乙烯的混合比例为1:1～5。
3.如权利要求1所述的锂离子电池隔膜的制备方法，其特征在于：在180～230℃的温度下挤出隔膜。
4.如权利要求1所述的锂离子电池隔膜的制备方法，其特征在于：在15～30℃的温度下对隔膜进行冷却。
5.如权利要求1所述的锂离子电池隔膜的制备方法，其特征在于：拉伸隔膜时，横向拉伸倍率为6～10倍，纵向拉伸倍率为5～8倍，拉伸时的温度为90～130℃。
6.如权利要求1至5任一项所述的锂离子电池隔膜的制备方法，其特征在于：所述填充剂为石蜡油、邻苯二甲酸二辛脂、邻苯二甲酸二丁酯中的一种或多种混合。
7.如权利要求1至5任一项所述的锂离子电池隔膜的制备方法，其特征在于：采用铸片辊对隔膜进行冷却。
8.锂离子电池，包括：正极片、负极片、隔膜及电解质，其特征在于：所述隔膜采用权利要求1至7任一项所述的锂离子电池隔膜的制备方法制成。
9.如权利要求8所述的锂离子电池，其特征在于：所述电解质为非水电解质。
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