CN111293259A - 一种电池隔膜及锂离子电池 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电池隔膜及锂离子电池，涉及电池技术领域。在本发明实施例中，因电池隔膜中具有传输通道和离子，离子嵌入至传输通道；并且，在电池隔膜位于离子液体中时，离子可以吸附离子液体中的离子进入传输通道中，增加了电池隔膜对离子液体的吸附，提高了电池隔膜与离子液体之间的浸润性，使得电池隔膜具有较好的通透性，从而提高了锂离子的传输效率，提高了电池的性能。
Description
技术领域
本发明涉及电池技术领域，尤指一种电池隔膜及锂离子电池。
背景技术
锂离子电池一般包括：正极、负极、电解质、以及电池隔膜，其中，正极一般为含锂化合物，负极一般为碳素材料，锂离子可以在电池隔膜中自由通过，而电子无法通过，以传输锂离子。具体的充放电过程为：
在锂离子电池充电时，正极上有锂离子生成，生成的锂离子通过电解质和电池隔膜传输至负极，在作为负极的碳呈层状结构时，锂离子可以嵌入到层状结构的微孔中，嵌入的锂离子越多，充电容量越高。
在锂离子电池放电时，嵌入在负极中的锂离子会脱出，通过电解质和电池隔膜回到正极，回到正极的锂离子越多，放电容量越大。
然而，在目前的技术中，电池隔膜与电解质中的离子液体的浸润性不足，离子液体的吸纳性不强，导致锂离子的传输效率下降，最终导致电池的性能下降。
基于此，如何提高电池隔膜与离子液体的浸润性，提高锂离子的传输效率，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明实施例提供了一种电池隔膜及锂离子电池，用以提高电池隔膜与离子液体的浸润性，提高锂离子的传输效率。
第一方面，本发明实施例提供了一种电池隔膜，包括传输通道和离子；
其中，所述离子嵌入至所述传输通道中。
第二方面，本发明实施例提供了一种锂离子电池，包括：如本发明实施例提供的上述电池隔膜和电解质；
所述电解质包括离子液体。
上述的技术方案具有的有益效果如下：
本发明实施例提供的一种电池隔膜及锂离子电池，因电池隔膜中具有传输通道和离子，所述离子嵌入至所述传输通道中；在电池隔膜位于离子液体中时，离子可以吸附离子液体中的离子进入传输通道中，增加了电池隔膜对离子液体的吸附，提高了电池隔膜与离子液体之间的浸润性，使得电池隔膜具有较好的通透性，从而提高了锂离子的传输效率，提高了电池的性能。
附图说明
图1为本发明实施例中提供的一种电池隔膜的结构示意图；
图2为本发明实施例中提供的另一种电池隔膜的结构示意图；
图3为本发明实施例中提供的电池A在充电条件下的测试结果；
图4为本发明实施例中提供的电池B在充电条件下的测试结果；
图5为本发明实施例中提供的电池A在放电条件下的测试结果；
图6为本发明实施例中提供的电池B在放电条件下的测试结果。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明实施例提供的一种电池隔膜及锂离子电池的具体实施方式进行详细地说明。需要说明的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供了一种电池隔膜，如图1和图2所示，可以包括传输通道10和离子20；
其中，所述离子嵌入至所述传输通道中。
在本发明实施例中，因电池隔膜中具有传输通道10和离子20，所述离子嵌入至所述传输通道中；在电池隔膜位于离子液体中时，离子20可以吸附离子液体中的离子30进入传输通道10中，增加了电池隔膜对离子液体的吸附，提高了电池隔膜与离子液体之间的浸润性，使得电池隔膜具有较好的通透性，从而提高了锂离子的传输效率，提高了电池的性能。
说明一点，如图1和图2只是示意性给出了电池隔膜中具有传输通道10和离子20，但在具体实际情况中，传输通道10和离子20的具体数量和具体位置并不限于图1和图2所示。
并且，在实际情况中，电池隔膜中可以包括很多的传输通道和很多的离子，所以可能会出现以下两种情况：
1、部分离子嵌入至传输通道中，但存在某个或某些离子未嵌入至传输通道中；
2、全部离子均嵌入至传输通道中。
但不管在制作电池隔膜时出现上述哪种情况中，下面介绍的内容均是以嵌入至传输通道的离子为例进行说明的。
在具体实施时，在本发明实施例中，电池隔膜可以采用聚环氧乙烯材料或聚马来酸酐材料制作而成。
在实际情况中，因采用聚环氧乙烯材料或聚马来酸酐材料等制作的电池隔膜对离子液体的浸润性不足，所以在本发明实施例中，在电池隔膜中具有传输通道和离子时，可以利用离子对离子液体中的离子之间的静电吸附作用和范德华力，图1中实线框1所示的放大图中的点线表示静电吸附作用和范德华力，使得离子液体中的离子进入至传输通道中，提高电池隔膜与离子液体的浸润性，使得电池隔膜具有较好的通透性，从而提高锂离子的传输效率。
在具体实施时，在本发明实施例中，传输通道可以具有多个，至少部分传输通道内具有离子。
也就是说，可以部分传输通道10中具有离子20，其余部分传输通道10中不具有离子20，如图2所示。当然，可选地，还可以每个传输通道10中均具有离子20，如图1所示，以使得离子液体中的离子30可以进入至每个传输通道10中，进而使得传输通道10发挥最大作用，使得电池隔膜与离子液体之间具有非常优异的浸润性，从而大大提高锂离子的传输效率。
可选地，在本发明实施例中，传输通道的直径可以为纳米级，以使得离子液体中的离子通过的同时，避免对电池隔膜的其他功能造成较大的影响。
在具体实施时，在本发明实施例中，离子可以通过离子溅射的原理将待嵌入的离子嵌入至电池隔膜中；
传输通道是在离子嵌入至电池隔膜的过程中形成的。
也就是说，利用高速离子射流对电池隔膜进行照射，使得待离子嵌入至电池隔膜内部，同时高速离子射流可以在电池隔膜中留下大量的传输通道，使得电池隔膜对离子液体具有较好的浸润性，以及使得电池隔膜具有较好的通透性。
基于同一发明构思，在制作本发明实施例提供的电池隔膜时，可以采用以下方式：
将含有离子的物质在解离室中解离成等离子态；
通过外加电场的作用，按照荷质比利用磁场筛选出离子的离子射流；
利用筛选出的离子射流照射基膜，得到电池隔膜。
具体地，利用筛选出的离子射流照射基膜的过程可以依据离子溅射的过程来理解，其中离子溅射的过程为：
在部分真空的溅射室中辉光放电，产生带正电的气体离子；在阴极(靶)和阳极(试样)间电压的加速作用下，带正电的气体离子轰击阴极表面，使阴极表面材料原子化，形成中性原子，且中性原子从阴极表面的各个方向溅出，并射落到试样的表面，于是在试样表面上形成一层均匀的薄膜。
说明一点，在本发明实施例中，在离子射流照射过程中，可以将基膜看作是阴极，将离子射流看作是带正电的气体离子，离子射流轰击基膜的过程中，使得待离子嵌入至基膜中，同时产生传输通道，得到电池隔膜。
下面以几个具体实施例，对制作电池隔膜的方法进行说明。
实施例1：
以离子液体为1-辛基-3-甲基咪唑四氟化硼，基膜为聚环氧乙烯(PEO)膜，离子为Fe3+为例进行说明。
步骤1：取化合物Fe(NO3)3，配成水溶液；
其中，得到的水溶液的浓度为0.01mol/L-1mol/L。
步骤2：以0.01ml/min-10ml/min的速度将水溶液注入解离室中；
步骤3：在7000V-50000V的电压提供的电场的加速下，按荷质比通过磁场筛选出Fe3+，得到Fe3+射流；
步骤4：将厚度为1微米至1000微米的基膜放入真空室中，在Fe3+射流的照射下照射1s至100s，得到内部嵌入有Fe3+的PEO改性膜，即嵌入有Fe3+的电池隔膜。
实施例2：
以离子液体为1-辛基-3-甲基咪唑四氟化硼，基膜为聚环氧乙烯膜，离子为Cl-为例进行说明。
步骤1：取化合物NaCl，配成水溶液；
其中，得到的水溶液的浓度为0.01mol/L-1mol/L。
步骤2：以0.01ml/min-10ml/min的速度将水溶液注入解离室中；
步骤3：在7000V-50000V的电压提供的电场的加速下，按荷质比通过磁场筛选出Cl-，得到Cl-射流；
步骤4：将厚度为1微米至1000微米的基膜放入真空室中，在Cl-射流的照射下照射1s至100s，得到内部嵌入有Cl-的PEO改性膜，即嵌入有Cl-的电池隔膜。
实施例3：
以离子液体为1,3-二甲基咪唑二(三氟甲基磺酰)亚胺，基膜为聚环氧乙烯膜，离子为Mg2+为例进行说明。
步骤1：取化合物MgSO4，配成水溶液；
其中，得到的水溶液的浓度为0.01mol/L-1mol/L。
步骤2：以0.01ml/min-10ml/min的速度将水溶液注入解离室中；
步骤3：在7000V-50000V的电压提供的电场的加速下，按荷质比通过磁场筛选出Mg2+，得到Mg2+射流；
步骤4：将厚度为1微米至1000微米的基膜放入真空室中，在Mg2+射流的照射下照射1s至100s，得到内部嵌入有Mg2+的PEO改性膜，即嵌入有Mg2+的电池隔膜。
实施例4：
以离子液体为1,3-二甲基咪唑二(三氟甲基磺酰)亚胺，基膜为聚环氧乙烯膜，离子为Br-为例进行说明。
步骤1：取化合物HBr，配成水溶液；
其中，得到的水溶液的浓度为0.01mol/L-1mol/L。
步骤2：以0.01ml/min-10ml/min的速度将水溶液注入解离室中；
步骤3：在7000V-50000V的电压提供的电场的加速下，按荷质比通过磁场筛选出Br-，得到Br-射流；
步骤4：将厚度为1微米至1000微米的基膜放入真空室中，在Br-射流的照射下照射1s至100s，得到内部嵌入有Br-的PEO改性膜，即嵌入有Br-的电池隔膜。
基于同一发明构思，本发明实施例提供了一种锂离子电池，可以包括：如本发明实施例提供的上述电池隔膜和电解质；
电解质包括离子液体。
可选地，在本发明实施例中，电解质可以为液态电解质，对应的锂离子电池为液态的锂离子电池。
或，电解质还可以为凝胶态的电解质，此时电解质包括聚合物电解质和离子液体，通过离子液体可以提高电解质对锂离子的传输性能，对应的锂离子电池为半固态的锂离子电池。
当然，锂离子电池除了包括电池隔膜和电解质之外，还包括正极和负极，以便于实现锂离子电池的功能。
在具体实施时，在本发明实施例中，离子液体中可以具有与电池隔膜中的离子电性相反的离子。
其中，离子液体中的离子与电池隔膜中的离子之间可以有以下几种对应关系：
对应关系1：
可选地，在本发明实施例中，离子为卤素阴离子，离子液体中包括咪唑类阳离子。
具体地，在本发明实施例中，卤素阴离子可以为F-(氟离子)、Cl-(氯离子)、Br-(溴离子)、I-(碘离子)。
咪唑类阳离子可以为1,3-二甲基咪唑，1-乙基-3-甲基咪唑，1-丙基-3-甲基咪唑，1-丁基-3-甲基咪唑，1-戊基-3-甲基咪唑；吡啶类：1-丁基-3-甲基吡啶，1-己基-3-甲基吡啶中的至少一种。
当然，在实际情况中，在电池隔膜中的离子为卤素阴离子时，离子液体中包括的阳离子并不限于咪唑类阳离子，还可以是本领域技术人员所熟知的其他可以与卤素阴离子具有较强的结合稳定性和热稳定性的阳离子，在此并不限定。
对应关系2：
可选地，在本发明实施例中，离子为金属阳离子，离子液体中包括含卤素的酸根离子。
具体地，在本发明实施例中，金属阳离子可以为镁离子(Mg2+)、钙离子(Ca2+)、钡离子(Ba2+)、铁离子(Fe3+)、钯离子(Pd4+)中的至少一种；
含卤素的酸根离子可以为四氟硼酸根离子、六氟磷酸根离子、六氟锑酸根离子、高氯酸根离子、双三氟甲烷磺酰亚胺酸根离子中的至少一种。
当然，在实际情况中，在电池隔膜中的离子为金属阳离子时，离子液体中包括的阴离子并不限于含卤素的酸根离子，还可以是本领域技术人员所熟知的其他可以与金属阳离子具有较强的结合稳定性和热稳定性的阳离子，在此并不限定。
对应关系3：
可选地，在本发明实施例中，离子为卤素阴离子和金属阳离子，离子液体中包括咪唑类阳离子和含卤素的酸根离子。
其中，金属阳离子、咪唑类阳离子和含卤素的酸根离子可以参见上述描述，重复之处不再赘述。
也就是说，电池隔膜中具有两种电性的离子，相应地，离子液体中也具有两种分别与离子具有较强的结合稳定性和热稳定性且电性不同的离子，如此，可以大大提高电池隔膜与离子液体的浸润性，从而大大提高锂离子的传输效率，进而大大提高锂离子电池的性能。
下面就以具体实施例和具体的实验数据，对本发明实施例提供的上述电池的性能进行说明。
首先，制备改性后的电池隔膜，包括以下两个过程：
1、制备改性前的电池隔膜。
将2g的PEO(MW＝1000，000)溶于10ml乙腈中至溶解，用刮涂器在PE(聚乙烯)膜上涂150微米的涂层，烘干后在另一面按同样方法涂覆，得到改性前的PEO电池隔膜，记为电池隔膜A。
2、离子溅射改性。
其中，以离子液体为1,3-二甲基咪唑二(三氟甲基磺酰)亚胺，嵌入离子为Mg2+为例进行说明。
采用ICP-MS测试仪进行离子溅射，配制0.1mol/L的MgSO4水溶液20ml，并通过蠕动泵以0.1ml/min的速度将水溶液注入解离室中；
接着，在通过7000V的电压进行加速后，通过四极杆质谱仪按荷质比筛选出Mg2+射流；
之后，将电池隔膜A放入接收器前，每一面都在Mg2+射流的照射下照射100s，得到内部嵌入有Mg2+的PEO电池隔膜，即改性后的电池隔膜，记为电池隔膜B。
其次，利用改性前后的电池隔膜，分别制作电池，具体过程如下：
1、包括改性前的电池隔膜的电池，记为电池A。
将电池隔膜A、LiFePO4/C正极(活性物质:sp:PVDF＝94.5％:2.5％:3％，面密度为120g/m2)、以及石墨负极(活性物质:sp:KS-6:SBR＝92.5％:2％:0.5％:5％,面密度为60g/m2)组装成单片全电池，其中电解液为LiBF4/1-辛基-3-甲基咪唑四氟化硼，且注液系数为2.0，将该电池记为电池A。
2、包括改性后的电池隔膜的电池，记为电池B。
将电池隔膜B、LiFePO4/C正极(活性物质:sp:PVDF＝94.5％:2.5％:3％,面密度为120g/m2)、以及石墨负极(活性物质:sp:KS-6:SBR＝92.5％:2％:0.5％:5％,面密度为60g/m2)组装成全电池，其中电解液为LiBF4/1-辛基-3-甲基咪唑四氟化硼，且注液系数为2.0，将该电池记为电池B。
也就是说，对于电池A和电池B而言，不同之处只是采用的电池隔膜不同，其他的结构、材料、以及制作方式均相同，以便于确定出改性前后的电池隔膜对电池性能的影响。
再次，对电池A和电池B进行性能测试，具体测试结果如下：
其中，测试条件为：采用landit测试仪进行测试，测试温度为25℃，测试在大电流2C/2C充放电条件下的循环性能。
具体测试结果如图3至图6所示，其中，图3为电池A在充电条件下的测试结果，图4为电池B在充电条件下的测试结果，图5为电池A在放电条件下的测试结果，图6为电池B在放电条件下的测试结果。
参见图3至图6所示，大电流2C/2C充放电条件下，包括电池隔膜B的电池B与包括电池隔膜A的电池A相比，表现出了更好的倍率和循环性能，循环性能也更加趋于稳定，容量也更大。
因此，电池隔膜B对提高电池性能具有较大的作用，也即改性后的电池隔膜对离子液体的浸润能力有着决定性的提高，进而使得电池性能有着较大的提高。
本发明实施例提供了一种电池隔膜及锂离子电池，因电池隔膜中具有传输通道和离子，离子嵌入至传输通道中；并且，在电池隔膜位于离子液体中时，离子可以吸附离子液体中的离子进入传输通道中，增加了电池隔膜对离子液体的吸附，提高了电池隔膜与离子液体之间的浸润性，使得电池隔膜具有较好的通透性，从而提高了锂离子的传输效率，提高了电池的性能。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种电池隔膜，其特征在于，包括传输通道和离子；
其中，所述离子嵌入至所述传输通道中。
2.如权利要求1所述的电池隔膜，其特征在于，所述传输通道具有多个，至少部分所述传输通道内具有所述离子。
3.如权利要求1或2所述的电池隔膜，其特征在于，所述电池隔膜采用聚环氧乙烯材料或聚马来酸酐材料制作而成。
4.一种锂离子电池，其特征在于，包括：如权利要求1-3任一项所述的电池隔膜和电解质；
所述电解质包括离子液体。
5.如权利要求4所述的锂离子电池，其特征在于，所述离子液体中具有与所述电池隔膜中的离子电性相反的离子。
6.如权利要求5所述的锂离子电池，其特征在于，所述离子为卤素阴离子，所述离子液体中包括咪唑类阳离子。
7.如权利要求5所述的锂离子电池，其特征在于，所述离子为金属阳离子，所述离子液体中包括含卤素的酸根离子。
8.如权利要求5所述的锂离子电池，其特征在于，所述离子为卤素阴离子和金属阳离子，所述离子液体中包括咪唑类阳离子和含卤素的酸根离子。
9.如权利要求6或8所述的锂离子电池，其特征在于，所述咪唑类阳离子为1,3-二甲基咪唑，1-乙基-3-甲基咪唑，1-丙基-3-甲基咪唑，1-丁基-3-甲基咪唑，1-戊基-3-甲基咪唑；吡啶类：1-丁基-3-甲基吡啶，1-己基-3-甲基吡啶中的至少一种。
10.如权利要求7或8所述的锂离子电池，其特征在于，所述金属阳离子为镁离子、钙离子、钡离子、铁离子、钯离子中的至少一种；
所述含卤素的酸根离子为四氟硼酸根离子、六氟磷酸根离子、六氟锑酸根离子、高氯酸根离子、双三氟甲烷磺酰亚胺酸根离子中的至少一种。
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