CN109256516A - 用于电化学装置的隔离膜、电化学装置及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于电化学装置的隔离膜，所述隔离膜的厚度为3微米至50微米，纵向收缩率不大于15％，横向收缩率不大于10％。本发明还公开了一种使用所述隔离膜的电化学装置，以及制备所述电化学装置的方法。由于本发明的所述隔离膜的内应力小，在电芯卷绕或叠片过程中不会出现由于所述隔离膜的内应力大导致的所述隔离膜变形、塌边等问题，可大大提高所述电化学装置的生产效率和良品率。

Description

用于电化学装置的隔离膜、电化学装置及其制备方法

技术领域

本发明涉及新能源技术领域，具体地，涉及电化学技术领域，更具体地，本发明涉及用于电化学装置的隔离膜、包含所述隔离膜的电化学装置以及制备所述电化学装置的方法。

背景技术

近年来，锂离子电池已广泛应用于各个领域，例如手机、笔记本电脑等消费电子产品，电动自行车、电动汽车等交通工具，电动工具，以及水力、火力、风力和太阳能电站等储能电源系统。在巨大的市场需求下，全球范围内电池制造企业越来越多。然而，在中高端电池市场上，还是经常出现供不应求的局面，主要原因之一在于电池制造过程效率较低，良品率也不足，单靠增加生产线难以平衡投入和产出的关系。以电动汽车所需要的动力电池为例，目前很多动力电池的生产厂家，其生产线的效率不足10支/分钟，良品率极低，无法通过中高端车企的认证和审核，只能低价处理。

导致电池生产线的效率低和良品率低的其中一个主要原因是：在电芯的装配过程中，作为电池关键零部件之一的隔离膜容易出现变形、起皱、塌边等问题，需要及时调整装配设备的参数，降低装配速度，甚至直接停机换卷。所生产出的电池头尾部隔离膜不整齐，尺寸公差大，有些超出规格，会有短路等风险，只能作为不良品。

针对以上问题，有必要研究一种新型隔离膜，避免现有技术中存在的上述问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种用于电化学装置的隔离膜，包含所述隔离膜的电化学装置，以及制备所述电化学装置的方法。

一方面，本发明提供一种用于电化学装置的隔离膜，所述隔离膜包括多孔基膜，所述多孔基膜的材料包括聚烯烃、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚醚、聚砜和聚酯中的任意一种或多种，所述隔离膜的厚度为3微米至50微米，所述隔离膜的纵向收缩率不大于15％，横向收缩率不大于10％。

进一步地，所述隔离膜的厚度优选地为5微米至20微米。

进一步地，所述多孔基膜包括微孔聚合物膜或无纺布膜。

进一步地，所述隔离膜还包括至少一层涂覆层，形成于所述多孔基膜的至少一侧，所述涂覆层形成于所述多孔基膜的至少一侧，所述涂覆层包括至少一种有机材料。其中，所述有机材料为聚乙二醇、丙烯酸树脂、聚烯烃、聚酯、甲基丙烯酸树脂、羧甲基纤维素盐、聚偏氟乙烯、聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物、聚丙烯酸盐、聚丙烯酸酯和聚甲基丙烯酸酯中的任意一种或多种。

更进一步地，所述涂覆层还包括至少一种无机材料。其中，所述无机材料为氧化铝、勃姆石、氧化硅、氧化钛、氧化铈、碳酸钙、氧化钙、氧化锌、氧化镁、钛酸铈、钛酸钙、钛酸钡、硫酸钡、磷酸锂、磷酸钛锂、磷酸钛铝锂、氮化锂和钛酸镧锂中的任意一种或多种。

另一方面，本发明还提供了一种电化学装置，所述电化学装置包括正极片、负极片、电解液、包装壳和所述隔离膜。所述电化学装置包括一次电池、二次电池、超级电容器、燃料电池、钠硫电池、铅酸电池或太阳能电池中的任意一种。所述电化学装置的形状可以是方形、软包或圆柱形中的任意一种。

进一步地，该电化学装置可以是锂离子电池。

第三方面，本发明还提供了一种制备所述电化学装置的方法，将所述正极片、所述隔离膜和所述负极片组装成电芯，将所述电芯放置在所述包装壳内，向所述包装壳内注入所述电解液，形成所述电化学装置，12小时内生产的电芯的良品率不低于99.5％。

本发明的用于所述电化学装置的所述隔离膜内应力小，有助于提高所述电化学装置的生产效率和良品率。首先，由于所述隔离膜的纵向收缩率不大于15％，应用于所述电化学装置的组装过程中时，纵向上不易变形，张力稳定，可以提高组装速度，从而提高生产效率，例如，应用本发明的所述隔离膜，电池的生产效率可达到20支/分钟以上。其次，由于本发明的所述隔离膜的横向收缩率不大于10％，组装好的电芯头尾部对应的所述隔离膜的横向尺寸稳定，边缘整齐，规格容易控制，良品率较高。

具体实施方式

以下通过特定的具体实施例来对本发明进行进一步详细说明，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容了解本发明的优点和功效。除非另行定义，本申请中所使用的专业与科学用语与本领域技术人员通常理解的意义相同。

本申请中所提到的纵向(Machine Direction，MD)是指隔离膜收卷或放卷时的运动方向或传送方向，也称为机械方向，当对多孔基膜进行涂布时，纵向为涂布方向；横向(Transverse Direction，TD)是指与纵向相互垂直的方向。

本申请中所提到的隔离膜的“纵向收缩率”和“横向收缩率”是经热机械测试得到的数据。所述热机械测试包括：对隔离膜的纵向方向施加不大于0.05N的力，例如，提供一夹持装置夹持所述隔离膜纵向的两端，夹持力不大于0.05N，以5℃/分钟的升温速度将隔离膜由25℃升高到180℃，在此升温过程中，测量并记录该隔离膜的纵向收缩率，最大纵向收缩率记为该隔离膜的“纵向收缩率”；类似地，对隔离膜的横向方向施加不大于0.05N的力，例如，提供一夹持装置夹持所述隔离膜横向的两端，夹持力不大于0.05N，以5℃/分钟的升温速度将隔离膜由25℃升高到180℃，在此升温过程中，测量并记录该隔离膜的横向收缩率，最大横向收缩率记为该隔离膜的“横向收缩率”。更具体的热机械测试方法可参考中国专利申请CN201810062607.0。

本申请中所提到的电芯是指包括正极、隔离膜和负极的结构，所述结构为卷绕结构或层叠结构中的任意一种。将所述电芯置于包装壳中，并注入电解液可得到电化学装置。

本发明的实施例提供的用于电化学装置的隔离膜纵向收缩率不大于15％，横向收缩率不大于10％。由于具有较低的纵向收缩率和横向收缩率，该隔离膜内应力小，用于制备电化学装置时，不易发生变形、起皱或塌边。

在一些实施例中，所述隔离膜的厚度在3微米至50微米范围内，优选地，在5微米至20微米范围内。

所述隔离膜为单层结构或多层结构。

在一些实施例中，所述隔离膜为多孔基膜。

在一种实施方式中，所述多孔基膜采用聚合物微孔膜。所述聚合物微孔膜是由干法或湿法熔融拉伸制得的。其中，干法熔融拉伸是指将熔融聚合物挤出后在高拉伸应力场下结晶。湿法又称相分离法或热致相分离法，是将高沸点小分子作为致孔剂添加到聚烯烃中，加热熔融形成均匀体系，然后降温发生相分离，拉伸后用有机溶剂萃取出小分子，得到微孔膜。该聚合物微孔膜为单层结构或多层结构中的任意一种。在一种具体的实施方式中，所述聚合物微孔膜为聚丙烯/聚乙烯/聚丙烯(Polypropylene/Polyethylene/Polypropylene，PP/PE/PP)三层聚烯烃微孔膜。

在另一种实施方式中，所述多孔基膜是无纺布膜。无纺布又称非织造布，是由短纤维或长丝定向或随机排列形成网状结构而构成。无纺布膜具有耐高温、孔隙率高等优点。

在一种实施方式中，所述聚合物微孔膜的主要组成材料为聚合物，所述聚合物为聚烯烃、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚醚、聚砜和聚酯中的任意一种或多种，其中，所述聚烯烃为聚乙烯(Polyethylene，PE)和聚丙烯(Polypropylene，PP)中的任意一种。在一种具体的实施方式中，所述聚合物微孔膜为聚乙烯微孔膜。

在一种实施方式中，所述无纺布膜的组成材料为所述聚合物。在一种具体的实施方式中，所述无纺布膜为聚对苯二甲酸乙二醇酯无纺布膜。

在某些实施例中，所述隔离膜由所述多孔基膜和涂覆层组成，所述涂覆层形成于所述多孔基膜的至少一侧，所述涂覆层由至少一种有机材料组成，其中，所述有机材料为聚乙二醇、丙烯酸树脂、聚烯烃、聚酯、甲基丙烯酸树脂、羧甲基纤维素盐、聚偏氟乙烯、聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物、聚丙烯酸盐、聚丙烯酸酯和聚甲基丙烯酸酯中的任意一种或多种。在另一些实施例中，所述涂覆层由至少一种所述有机材料和至少一种无机材料组成，所述无机材料为氧化铝、勃姆石、氧化硅、氧化钛、氧化铈、碳酸钙、氧化钙、氧化锌、氧化镁、钛酸铈、钛酸钙、钛酸钡、硫酸钡、磷酸锂、磷酸钛锂、磷酸钛铝锂、氮化锂和钛酸镧锂中的任意一种或多种。

在一些实施例中，所述多孔基膜具有两层或两层以上的所述涂覆层。每层所述涂覆层的成分相同。在另一些实施例中，每层所述涂覆层的成分不完全相同。

在一些实施例中，两层或两层以上的所述涂覆层分布在所述多孔基膜的同一侧。

在一些实施例中，两层或两层以上的所述涂覆层分布在所述多孔基膜的不同侧，所述多孔基膜的每一侧的所述涂覆层的层数相同。在另一些实施例中，所述多孔基膜的每一侧的所述涂覆层的层数不同。

本发明的实施例还提供了电化学装置，该电化学装置由正极片、负极片、电解液、包装壳和所述隔离膜组成。所述电化学装置为一次电池、二次电池、超级电容器、燃料电池、钠硫电池、铅酸电池和太阳能电池中的任意一种。所述电化学装置的形状是方形、软包和圆柱形中的任意一种。

在一些实施例中，该电化学装置为锂离子电池。

在一些实施例中，所述锂离子电池为聚合物锂离子电池。

在一些实施例中，该电化学装置中的正极片、负极片和所述隔离膜形成卷绕结构或叠片结构中的任意一种。

本发明的实施例还提供了制备所述电化学装置的方法，将所述正极片、所述隔离膜和所述负极片组装成电芯，将所述电芯放置在所述包装壳内，向所述包装壳内注入所述电解液，形成所述电化学装置，其中，12小时内生产的所述电芯的良品率不低于99.5％。另外，制造所述电芯的生产效率可达到20支/分钟或以上。本申请中所提到的所述电芯的良品率，是指12小时内生产的所述电芯良品个数与生产总数的比值。

在一些实施例中，本发明生产所述电化学装置的方法包括：分别将正极浆料、负极浆料涂布在集流体上，再经过分切或裁片得到待组装的所述正极片和所述负极片，将所述正极片、成卷的所述隔离膜、所述负极片按次序通过卷绕或叠片组装成所述电芯，然后放入所述包装壳内并灌注所述电解液，封口后形成所述电化学装置。

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应当理解的是，这些实施例仅仅是为了解释本发明，并非为了限定本发明。下列实施例中未注明具体条件的试验方法，通常按照本领域常规条件。

对比例1

本对比例提供了对比电化学装置1和所述对比电化学装置1的制备方法1，所述对比电化学装置1具有正极1、负极1、电解液1、隔离件1和包装壳1。

所述对比电化学装置1的制备过程包括正极片1的制备过程、负极片1的制备过程、电解液1的制备过程和所述对比电化学装置1的组装过程。

所述正极片1的制备过程包括：将锰酸锂、导电碳、粘结剂聚偏氟乙烯按质量比96:1.5:2.5加入氮甲基吡咯烷酮(N-Methyl pyrrolidone，NMP)中混合均匀制成正极浆料，然后涂布在铝箔上，并在85℃下烘干后进行冷压、切片、裁边、分条、极耳焊接，制成所述正极片1。

所述负极片1的制备过程包括：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比96.5:1.0:1.5:1.0加入去离子水中混合均匀制成负极浆料，然后涂布在铜箔上，并在85℃下烘干后进行冷压、切片、裁边、分条、极耳焊接，制成所述负极片1。

所述电解液1的制备过程包括：将六氟磷酸锂加入碳酸乙烯酯(EthyleneCarbonate，EC)和碳酸二乙酯(Diethyl Carbonate，DEC)中配置成所述六氟磷酸锂浓度为1.0mol/L的溶液，其中，EC和DEC的质量比为4:6，得到所述电解液1。

所述对比电化学装置1的组装过程包括：所述隔离膜1采用厚度为16微米的单层聚乙烯微孔膜1。经热机械测试，所述隔离膜1的纵向收缩率为30％，横向收缩率为12％，采用型号为MCH-130H的全自动软包卷绕机，分别将所述正极片1、所述负极片1及所述隔离膜1放入卷绕机指定位置，设置卷绕速度为5～10cm/s，卷绕张力为100～500gf，选择自动调整模式，开启设备进行卷绕过程以形成电芯1，所述卷绕过程包括：将所述正极片1通过卷绕的方式形成所述正极1，将所述负极片1通过卷绕的方式形成所述负极1，将所述隔离膜1通过卷绕的方式形成所述隔离件1，所述正极1、所述负极1和所述隔离件1组装形成所述电芯1。然后，将所述电芯1放入所述包装壳1内，向所述包装壳1内灌注所述电解液1，形成所述对比电化学装置1。

对比例2

本对比例提供了对比电化学装置2以及所述对比电化学装置2的制备过程。

所述对比电化学装置2的制备过程与所述对比电化学装置1的制备过程的区别在于：所述对比电化学装置2中的隔离膜2采用厚度为16微米的单层聚乙烯微孔膜2，所述单层聚乙烯微孔膜2的单面具有厚度为3微米的氧化铝涂层。经热机械测试，所述隔离膜2的纵向收缩率为25％，横向收缩率为10％。

对比例3

本对比例提供了对比电化学装置3以及所述对比电化学装置3的制备过程。

所述对比电化学装置3的制备过程与所述对比电化学装置1的制备过程的区别在于：所述对比电化学装置3中的隔离膜3采用厚度为16微米的单层聚乙烯微孔膜3，所述单层聚乙烯微孔膜3的单面具有厚度为2微米的聚偏氟乙烯涂层。经热机械测试，所述隔离膜3的纵向收缩率为15％，横向收缩率为15％。

实施例1

本实施例提供了电化学装置1以及所述电化学装置1的制备过程。

所述电化学装置1的制备过程与所述对比电化学装置1的制备过程的区别在于：所述电化学装置1中的隔离膜4采用采用厚度为16微米的单层聚乙烯微孔膜4。经热机械测试，所述隔离膜4的纵向收缩率为15％，横向收缩率为10％。

实施例2

本实施例提供了电化学装置2以及所述电化学装置2的制备过程。

所述电化学装置2的制备过程与所述对比电化学装置1的制备过程的区别在于：所述电化学装置2中的隔离膜5采用厚度为10微米的单层聚乙烯微孔膜5。经热机械测试，所述隔离膜5的纵向收缩率为10％，横向收缩率为2％。

实施例3

本实施例提供了电化学装置3以及所述电化学装置1的制备过程。

所述电化学装置3的制备过程与所述对比电化学装置1的制备过程的区别在于：所述电化学装置3中的隔离膜6采用厚度为20微米的单层聚乙烯微孔膜6。经热机械测试，所述隔离膜6的纵向收缩率为5％，横向收缩率为5％。

实施例4

本实施例提供了电化学装置4以及所述电化学装置4的制备过程。

所述电化学装置4的制备过程与所述对比电化学装置1的制备过程的区别在于：所述电化学装置4中的隔离膜7采用单层聚丙烯微孔膜7，所述单层聚丙烯微孔膜7的单面具有厚度为3微米的氧化铝涂层。经热机械测试，所述隔离膜7的纵向收缩率为12％，横向收缩率为8％。

实施例5

本实施例提供了电化学装置5以及所述电化学装置5的制备过程。

所述电化学装置5的制备过程与所述对比电化学装置1的制备过程的区别在于：所述电化学装置5中的隔离膜8采用厚度为16微米的单层聚乙烯微孔膜8，单层聚乙烯微孔膜8的双面分别具有厚度为3微米的氧化铝涂层。经热机械测试，所述隔离膜8的纵向收缩率为10％，横向收缩率为5％。

实施例6

本实施例提供了电化学装置6以及所述电化学装置6的制备过程。

所述电化学装置6的制备过程与所述对比电化学装置1的制备过程的区别在于：所述电化学装置6中的隔离膜9采用厚度为16微米的单层聚丙烯微孔膜9，所述单层聚丙烯微孔膜9的单面具有厚度为2微米的聚偏氟乙烯涂层。经热机械测试，所述隔离膜9的纵向收缩率为10％，横向收缩率为5％。

实施例7

本实施例提供了电化学装置7以及所述电化学装置7的制备过程。

所述电化学装置7的制备过程与所述对比电化学装置1的制备过程的区别在于：所述电化学装置7中的隔离膜10采用厚度为20微米的聚对苯二甲酸乙二醇酯无纺布，所述聚对苯二甲酸乙二醇酯无纺布的单面具有厚度为2微米的氧化铝涂层。经热机械测试，所述隔离膜10的纵向收缩率为5％，横向收缩率为3％。

本发明实施例计算了实施例1-7和对比例1-3的所述卷绕过程的组装效率和良品率，记录在表1中。

所述组装效率的计算方法为：每分钟组装的电芯的支数记为N，所述组装效率即为N支/分钟。

所述组装良品率的计算方法为：12小时内组装的电芯中，良品的数量记为N1，该班次组装电芯总支数记为N，良品率＝N1/N×100％。

其中，当制备出的所述电芯出现以下情况之一时，定义为不良品：

情况1：所述电芯宽度方向的尺寸比宽度规格尺寸增大或减小的比例大于0.5％；

情况2：所述电芯长度方向的尺寸比长度规格尺寸增大或减小的比例大于0.5％；

情况3：所述电芯发生明显变形，包括所述隔离膜或正负极片发生褶皱或弯曲；

情况4：所述电芯的长度方向隔离膜超出正负极片的尺寸小于规定的下限值。

当制备出的所述电芯不出现情况1、情况2、情况3或情况4中的任意一种或多种情况，定义为良品。

表1

测试项目	组装效率(支/分钟)	良品率(％)
			对比例1	8	80％
对比例2	10	85％
			对比例3	12	83％
实施例1	22	99.5％
			实施例2	23	99.7％
实施例3	25	99.8％
			实施例4	21	99.6％
实施例5	22	99.8％
			实施例6	23	99.8％
实施例7	23	99.8％

对比例1-3中所采用的隔离膜分别是：单层聚乙烯微孔膜、单面涂氧化铝的聚乙烯微孔膜和单面涂聚偏氟乙烯的聚乙烯微孔膜。对比例1的隔离膜热机械测试纵向收缩率和横向收缩率均较大；对比例2隔离膜的纵向收缩率较大，达到25％；对比例3的横向收缩率较大，达到15％。通过表1可以看出，三个对比例中，电芯的组装效率较低，良品率也较低。

实施例1-3均采用单层聚乙烯基膜，厚度在10微米至20微米范围内不等，热机械测试的纵向和横向的收缩率均较小，纵向的收缩率不大于15％，在电芯组装过程中，隔离膜纵向的变形较少，电芯的组装效率较高；横向收缩率不大于10％，电芯组装后头尾方向隔离膜尺寸稳定，良品率较高，达到99.5％以上。实施例4所采用隔离膜为单层聚丙烯单面设置氧化铝涂层，热机械测试的纵向和横向收缩率均较小。实施例5采用隔离膜为单层聚乙烯双面设置氧化铝涂层，热机械测试纵向收缩率10％，横向收缩率5％。实施例6所采用的隔离膜为单层聚丙烯单面设置聚偏氟乙烯涂层，热机械测试的纵向和横向的收缩率均较小，在电池组装过程中隔离膜均不易发生变形和尺寸变化，减少停机调节参数的次数，电芯生产效率和良品率均较高。

以上的产品及方法仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种用于电化学装置的隔离膜，其特征在于，所述隔离膜包括多孔基膜，所述多孔基膜的材料包括聚烯烃、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚醚、聚砜和聚酯中的任意一种或多种，所述隔离膜的厚度为3微米至50微米，所述隔离膜的纵向收缩率不大于15％，横向收缩率不大于10％。

2.根据权利要求1所述的隔离膜，其特征在于，所述多孔基膜包括聚合物微孔膜或无纺布膜。

3.根据权利要求1所述的隔离膜，其特征在于，所述隔离膜还包括至少一层涂覆层，所述涂覆层形成于所述多孔基膜的至少一侧，所述涂覆层包括至少一种有机材料。

4.根据权利要求3所述的隔离膜，其特征在于，所述有机材料为聚乙二醇、丙烯酸树脂、聚烯烃、聚酯、甲基丙烯酸树脂、羧甲基纤维素盐、聚偏氟乙烯、聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物、聚丙烯酸盐、聚丙烯酸酯和聚甲基丙烯酸酯中的任意一种或多种。

5.根据权利要求3所述的隔离膜，其特征在于，所述涂覆层还包括至少一种无机材料。

6.根据权利要求5所述的隔离膜，其特征在于，所述无机材料为氧化铝、勃姆石、氧化硅、氧化钛、氧化铈、碳酸钙、氧化钙、氧化锌、氧化镁、钛酸铈、钛酸钙、钛酸钡、硫酸钡、磷酸锂、磷酸钛锂、磷酸钛铝锂、氮化锂和钛酸镧锂中的任意一种或多种。

7.一种电化学装置，其特征在于，包括正极片、负极片、电解液、包装壳和如权利要求1所述的隔离膜。

8.根据权利要求7所述的电化学装置，其特征在于，所述电化学装置为锂离子电池。

9.一种制备如权利要求7所述的电化学装置的方法，其特征在于，将所述正极片、所述隔离膜和所述负极片组装成电芯，将所述电芯放置在所述包装壳内，向所述包装壳内注入所述电解液，形成所述电化学装置，12小时内生产的所述电芯的良品率不低于99.5％。