CN109904373B - 一种锂离子电池、一种锂离子电池隔离膜及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种锂离子电池、一种锂离子电池隔离膜及其制备方法，所述隔离膜包括基膜以及设置于所述基膜表面的涂层，所述涂层的原料沿电芯高度方向由上至下粒度逐渐增大。所述隔离膜宽度方向(对应于电芯高度方向)表现出对电解液不同的浸润速度和保液能力，从而抵消电芯中在重力作用下电解液向下部聚集的趋势。改善了电芯高度方向电解液浸润的均匀性，从而改善电芯在长寿命周期内的性能。

Description

一种锂离子电池、一种锂离子电池隔离膜及其制备方法
技术领域
本发明属于锂离子电池领域，涉及一种隔离膜，尤其涉及一种锂离子电池用隔离膜。
背景技术
锂离子动力电池因其较高的能量密度，较宽的应用窗口，较成熟的生产工艺广泛应用于电动工具、电动车辆等。锂离子动力电池所常用的PE隔离膜受热易收缩，且电解液浸润能力和保液能力不强；现在通常在PE裸膜一侧涂覆一层均匀的陶瓷涂层，改善了隔离膜热收缩、保液等性能；但是在重力作用下，电解液倾向于集中在电芯底部，使电芯出现顶部缺液而底部富液的状态。这种电解液分布不均匀的状态会导致电芯顶部-底部SOC状态不均匀，局部析锂等情况，恶化电芯性能且易引起安全风险。
CN 105529425A公开了一种陶瓷隔离膜、一种陶瓷隔离膜的制备方法以及所述陶瓷隔离膜作为电池隔离膜的应用。所述陶瓷隔离膜包括基体和附着于所述基体的至少一侧表面的陶瓷涂层，其中，所述陶瓷涂层中含有无机陶瓷粉末、一维纳米材料；所述无机陶瓷粉末的粒径为5-250nm，所述一维纳米材料的直径为5-800nm，长度为500nm-50μm。然而所述浆料为无机陶瓷粉末、一维纳米材料的混合浆料，在电芯高度方向上无梯度变化，并不能解决重力作用下，电解液倾向于集中在电芯底部，使电芯出现顶部缺液而底部富液的状态的问题。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种锂离子电池隔离膜及其制备方法，所述隔离膜宽度方向(对应于电芯高度方向)表现出对电解液不同的浸润速度和保液能力，从而抵消电芯中在重力作用下电解液向下部聚集的趋势。改善了电芯高度方向电解液浸润的均匀性，从而改善电芯在长寿命周期内的性能。
为达上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明目的之一在于提供一种锂离子电池隔离膜，所述隔离膜包括基膜以及设置于所述基膜表面的涂层，所述涂层的原料沿电芯高度方向由上至下粒度逐渐增大。
作为本发明优选的技术方案，所述涂层沿电芯高度方向由上至下比表面积逐渐减小。
作为本发明优选的技术方案，所述涂层为陶瓷涂层和/或高分子涂层。
优选地，所述陶瓷涂层包括Al2O3和/或TiO2。
优选地，所述高分子涂层包括PVDF、芳纶、PI或纤维素中的任意一种或至少两种的组合，所述组合典型但非限制性实例有：PVDF和芳纶的组合、芳纶和PI的组合、PI和纤维素的组合、纤维素和PVDF的组合或PVDF、芳纶、PI和纤维素的组合等。
作为本发明优选的技术方案，所述陶瓷涂层的粒度为50nm～5000μm，如50nm、100nm、200nm、500nm、800nm、1000nm、2μm、5μm、10μm、50μm、100μm、200μm、500μm、800μm或1000μm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明优选的技术方案，所述基膜为PE基膜或PP基膜。
本发明目的之二在于提供一种上述锂离子电池隔离膜的制备方法，所述方法包括以下步骤：
将至少两种粒径不同的涂层浆料通过出料口泵入浆料槽，所述出料口截面被分隔成至少两个楔形，不同粒径的浆料通过所述进料口不同的楔形进入所述浆料槽形成梯度浆料，将浆料槽内的梯度浆料转移到隔离膜表面，固化，得到所述锂离子电池隔离膜。
作为本发明优选的技术方案，所述出料口截面为中心对称或轴对称图形。
作为本发明优选的技术方案，所述出料口截面为矩形、平行四边形、圆形或椭圆形中的任意一种。
作为本发明优选的技术方案，将所述浆料槽中的梯度浆料转移至隔离膜表面的方法包括微凹版辊涂法。
本发明目的之三在于提供一种锂离子电池，所述锂离子电池包括上述任一种锂离子电池隔离膜。
与现有技术方案相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明提供一种锂离子电池隔离膜及其制备方法，所述隔离膜宽度方向(对应于电芯高度方向)表现出对电解液不同的浸润速度和保液能力，从而抵消电芯中在重力作用下电解液向下部聚集的趋势。改善了电芯高度方向电解液浸润的均匀性，从而改善电芯在长寿命周期内的性能，测试条件25℃1C/1C下，循环性能可达1800次@80％。
附图说明
图1是本发明实施例1使用的进料口的截面图；
图2是本发明实施例2使用的进料口的截面图；
图3是本发明实施例3使用的进料口的截面图；
图4是本发明实施例4使用的进料口的截面图；
图5是本发明实施例5使用的进料口的截面图；
图中：1-浆料1，2-浆料2，3-浆料3，4-浆料4，箭头所示方向为电芯高度方向。
下面对本发明进一步详细说明。但下述的实例仅仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
本发明中，虽然所述涂层的原料沿电芯高度方向由上至下粒度逐渐增大，但是在某一个宽度区间内涂层的原料的粒径可以是相同的，这个宽度区间大于0但小于电芯高度。
本发明中，对电芯高度方向上特定高度的涂层的原料的粒径不做具体限定，由于电解液的不同会造成涂层对电解液浸润速度和保液能力的变化，因此不同高度的涂层原料的粒径可根据电解液的不同进行调整，以保证电解液在电芯高度上分布的均匀性，但应保证涂层的原料沿电芯高度方向由上至下粒度逐渐增大的趋势。
本发明中，虽然理论上涂层的原料的粒径越小其涂覆后的比表面积应越大，但是由于在涂层的涂覆过程中所采用的浆料为至少两种粒径不同的浆料，浆料中涂层的原料的浓度也会对最终得到的涂层比表面积产生影响，因此最终制备得到的涂层沿电芯高度方向由上至下比表面积逐渐减小。
本发明中，由于浆料通过出料口泵入浆料槽时不规则的形状会改变浆料从将料口泵出时的线速度，导致部分区域浆料分布不均而导致该区域粒径没有按照梯度排布，因此所述出料口的形状应选择轴对称或中心对称图形，以保证浆料通过进料口泵入后浆料槽后浆料可以均匀分布。
本发明中，为了保证涂层的原料沿电芯高度方向由上至下粒度逐渐增大的均匀性，当所述进料口截面为非圆形或椭圆形时，可沿对角线对进料口进行分割。
为更好地说明本发明，便于理解本发明的技术方案，本发明的典型但非限制性的实施例如下：
本发明具体实施方式中选用的四种涂层浆料及其粒径如表1所示。
表1
名称 粒径
浆料1 TC1 50nm～200nm
浆料2 TC5 100nm～500nm
浆料3 TC6 400nm～1000nm
浆料4 TC7 600nm～2000nm
本发明具体实施方式中实施例1-5隔离膜的制备方法包括以下步骤：
将粒径不同的涂层浆料通过出料口泵入浆料槽，实施例1-5的所述出料口形状以及浆料的分布分别如图1-5所示，不同粒径的浆料通过所述进料口不同的楔形进入所述浆料槽形成梯度浆料，将浆料槽内的梯度浆料使用微凹版辊涂法转移到隔离膜表面，固化，得到所述锂离子电池隔离膜。
上述制备方法中，泵入速度为2～8g/s，涂层的厚度为3±1μm，隔离膜为PE隔离膜，厚度为9±1μm。
对比例1-4：
本发明对比例中使用与实施例1-5相同的条件和装置，分别使用浆料1-4制备厚度相同的单一浆料的隔离膜涂层。涂层/基膜厚度与实施例同为3±1μm/9±1μm。
使用实施例1-5以及对比例1-4制备得到的隔离膜，组装锂离子电池，正极极片为NCM-523材料，负极极片为人造石墨，电解液为常规EC/EMC/DEC溶剂体系电解液
对上述组装得到的含有实施例1-5以及对比例1-4的制备得到的隔离的锂离子电池的循环性能以及寿命进行测试，结果如表2所示。
表2
循环性能 寿命
实施例1 25℃1C/1C 600次@80％
实施例2 25℃1C/1C 1200次@80％
实施例3 25℃1C/1C 1500次@80％
实施例4 25℃1C/1C 1000次@80％
实施例5 25℃1C/1C 1800次@80％
对比例1 25℃1C/1C 300次@80％
对比例2 25℃1C/1C 400次@80％
对比例3 25℃1C/1C 800次@80％
对比例4 25℃1C/1C 700次@80％
从表2的测试结果可以看出，实施例1采用图1所示的进料口，将浆料1和浆料2制备成隔离膜涂层，含有该隔离膜的锂离子电池的循环性能优于含有浆料1和浆料2单独作为涂层的隔离膜的锂离子电池。实施例2采用图2所示的进料口，将浆料1、浆料2和浆料3制备成隔离膜涂层，含有该隔离膜的锂离子电池的循环性能优于含有浆料1、浆料2以及浆料3单独作为涂层的隔离膜的锂离子电池。实施例3采用图3所示的进料口，将浆料1、浆料2和浆料3制备成隔离膜涂层，含有该隔离膜的锂离子电池的循环性能优于含有浆料1、浆料2以及浆料3单独作为涂层的隔离膜的锂离子电池。实施例4采用图4所示的进料口，将浆料3和浆料4制备成隔离膜涂层，含有该隔离膜的锂离子电池的循环性能优于含有浆料3和浆料4单独作为涂层的隔离膜的锂离子电池。实施例5采用图5所示的进料口，将浆料1、浆料2、浆料3以及浆料3制备成隔离膜涂层，含有该隔离膜的锂离子电池的循环性能优于含有浆料1、浆料2、浆料3以及浆料3单独作为涂层的隔离膜的锂离子电池。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细结构特征，但本发明并不局限于上述详细结构特征，即不意味着本发明必须依赖上述详细结构特征才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明所选用部件的等效替换以及辅助部件的增加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (11)

1.一种锂离子电池隔离膜，其特征在于，所述隔离膜包括基膜以及设置于所述基膜表面的涂层，所述涂层的原料沿电芯高度方向由上至下粒度逐渐增大，所述电芯高度方向对应于电芯宽度方向；
所述涂层沿电芯高度方向由上至下比表面积逐渐减小。
2.根据权利要求1所述的隔离膜，其特征在于，所述涂层为陶瓷涂层和/或高分子涂层。
3.根据权利要求2所述的隔离膜，其特征在于，所述陶瓷涂层包括Al2O3和/或TiO2。
4.根据权利要求2所述的隔离膜，其特征在于，所述高分子涂层包括PVDF、芳纶、PI或纤维素中的任意一种或至少两种的组合。
5.根据权利要求2所述的隔离膜，其特征在于，所述陶瓷涂层的粒度为50nm～5000μm。
6.根据权利要求1所述的隔离膜，其特征在于，所述基膜为PE基膜或PP基膜。
7.一种权利要求1-6任一项所述的隔离膜的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
将至少两种粒径不同的涂层浆料通过出料口泵入浆料槽，所述出料口截面被分隔成至少两个楔形，不同粒径的浆料通过进料口不同的楔形进入所述浆料槽形成梯度浆料，将浆料槽内的梯度浆料转移到隔离膜表面，固化，得到所述锂离子电池隔离膜。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述出料口截面为中心对称或轴对称图形。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述出料口截面为矩形、平行四边形、圆形或椭圆形中的任意一种。
10.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，将所述浆料槽中的梯度浆料转移至隔离膜表面的方法包括微凹版辊涂法。
11.一种锂离子电池，其特征在于，所述锂离子电池包括权利要求1-6任一项所述的锂离子电池隔离膜。
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