CN111527624A - 不具有隔膜基材的隔膜 - Google Patents
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Abstract
本文公开了一种构造成确保正极和负极之间的电绝缘性的电化学设备用多孔隔膜，其中，所述隔膜不包含聚烯烃基材，并且包含无机颗粒、用于所述无机颗粒之间结合的粘合剂和交联剂。
Description
技术领域
本申请要求于2018年5月14日递交的韩国专利申请No.2018-0055138的优先权和权益，将其公开内容通过引用以其整体并入本文。
本发明涉及一种不具有隔膜基材的隔膜，更具体地涉及一种下述的隔膜，其不包含用作隔膜基材的聚烯烃基材，且包含无机颗粒和用于结合无机颗粒的聚合物粘合剂。
背景技术
随着诸如智能电话、便携式计算机、平板电脑和便携式游戏机等便携式设备的轻量化和高性能化的趋势，对用作其驱动电源的二次电池的需求日益增加。在过去，已经使用镍镉、镍氢和镍锌电池，但是目前最常使用的是具有高工作电压和高单位重量能量密度的锂二次电池。
随着与便携式设备市场有关的市场的增长，对锂二次电池的需求已经增加。锂二次电池也已被用作电动车辆(EV)、混合动力电动车辆(HEV)的电源和可再生能源存储。
锂二次电池构造成使得可进行充电和放电的具有正极/隔膜/负极结构的电极组件安装在电池外壳中。正极和负极分别如下制造：将包含电极活性材料的浆料涂布至金属集电体的一个表面或两个表面，将该浆料干燥，并辊压涂布有干燥浆料的金属集电体。
隔膜是影响二次电池的性能和寿命的最重要因素之一。隔膜必须使正极和负极彼此电隔离，并表现出离子渗透性和机械强度，以使电解质溶液可以平稳地通过隔膜。随着高能量锂二次电池的应用扩大，还需要隔膜在高温下的安全性。
包含常规使用的隔膜基材和无机涂层的隔膜的问题在于，由于其材料特性，隔膜和电极之间的粘附力不足，因此，根据制造工艺，隔膜和电极在隔膜和电极之间的界面处彼此局部分离或者形成褶皱。通常用作隔膜基材的聚烯烃具有聚烯烃在高温下熔化的热稳定性的问题。
为了解决这些问题，已经提出了一种仅包含无机涂层而无聚烯烃隔膜基材的隔膜。然而，该隔膜的问题在于，隔膜显示出非常低的电绝缘性，因此当应用于电化学设备时，隔膜容易受到电池中发生的短路的影响。另外，由于隔膜的拉伸力低且伸长率低，因此容易被撕裂。结果是，存在电极组件中发生微型短路的致命缺陷。
专利文献1公开了一种由微孔聚合物层构成的隔膜，该微孔聚合物层包括有机重整的铝勃姆石和有机聚合物。然而，该专利文献没有提出诸如聚合等方案来提高隔膜的强度。
专利文献2涉及锂电池用电解质、包含该电解质的负极和锂电池，并且公开了置于正极和负极之间的包含电解质和固体电解质的中间层，其中，中间层用作隔膜。该专利文献具有对应于本发明的结构，其中，电解质置于正极和负极之间或可包含隔膜。然而，该专利文献与本发明的不同之处在于，表面改性的纳米颗粒复合体分散在嵌段共聚物中。另外，专利文献2仅描述了纳米颗粒的表面改性的效果。
非专利文献1公开了PVdF-HFP/PEGDMA(聚乙二醇二甲基丙烯酸酯)的交联。然而，在非专利文献1中，上述指定的材料不适用于隔膜，而仅适用于聚合物电解质溶液。
非专利文献2公开了一种由勃姆石纳米颗粒和聚偏二氟乙烯聚合物制成的锂二次电池用隔膜。然而，注意到该隔膜不适于高应力电池电芯组装过程。
非专利文献3公开了一种基于铝酸镁的多孔陶瓷膜作为表现出高柔性和热稳定性的锂二次电池用隔膜。然而，该非专利文献没有公开提高隔膜强度的方法。
即，现有技术尚未提出一种能够提供不具有聚烯烃基材的隔膜的有效技术，其中，该隔膜表现出高温环境下的高稳定性、高绝缘性、更高的拉伸强度和伸长率、优异的电解质浸渍特性以及高离子转移能力，从而解决上述问题。
(相关技术文献)
(专利文献1)美国授权专利No.8883354
(专利文献2)韩国专利申请公报No.2016-0140211
(非专利文献1)Thermal shutdown behavior of PVdF-HFP-based polymerelectrolytes comprising heat sensitive cross linkable oligomers,J.PowerSources 144,2005
(非专利文献2)Boehmite-based ceramic separator for lithium-ionbatteries,Journal of Applied Electrochemistry,2016,69
(非专利文献3)Thin,flexible and thermally stable ceramic membranes asseparator for lithium-ion batteries,Journal of Membrane Science,2014,103
发明内容
技术问题
鉴于上述问题做出了本发明，本发明的目的是提供一种能够防止由于隔膜的损坏而在电池中发生短路的技术以及应用该技术的隔膜，该目的如下实现：使用一种不包含聚烯烃基材、且具有包含无机颗粒和用于结合无机颗粒的粘合剂的结构的隔膜，从而具有高温环境下的高稳定性、高绝缘性、优异的电解质浸渍特性、高离子转移能力以及比常规隔膜更高的拉伸强度和伸长率，同时确保绝缘性与常规隔膜的绝缘性一致。
技术方案
根据本发明的一个方面，可通过提供一种被构造成确保正极和负极之间的电绝缘性的电化学设备用多孔隔膜来实现上述和其他目标，其中，所述隔膜可不包含聚烯烃基材，并可如下制备：将包含无机颗粒、用于结合所述无机颗粒的聚合物粘合剂和交联剂的隔膜用组合物混合，涂覆，干燥，然后使所述交联剂交联，其中，相对于所述隔膜中固体的总重量，所述组合物中所述交联剂的含量大于0重量％且等于或小于5重量％。
所述交联剂可由以下化学式表示。
化学式1
化学式2
化学式3
在化学式1至3中，m是1至100的整数，n是0至30的整数，o是1至1,000的整数。化学式1至3的重均分子量为1,000至100,000。
化学式4
在化学式4中，m4是1至100的整数，n4是0至30的整数，o4是1至1,000的整数。化学式4的重均分子量为1,000至100,000，p是取决于重均分子量的变量。
化学式5
在化学式5中，a和c是1至30的整数，b是1至1,000的整数。重均分子量为1,000至100,000。
无机颗粒可以是介电常数为1以上的高介电无机颗粒、具有压电性的无机颗粒、具有锂离子转移能力的无机颗粒、氧化铝水合物或其两种以上的混合物，优选为选自由Al2O3、AlOOH、SiO2、MgO、TiO2和BaTiO2组成的组中的至少一种。
聚合物粘合剂可以是选自由聚偏二氟乙烯、聚偏二氟乙烯-六氟丙烯、聚偏二氟乙烯-三氯乙烯、聚偏二氟乙烯-氯三氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯腈、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙酸乙烯酯、乙烯-乙酸乙烯酯共聚物、聚环氧乙烷、乙酸纤维素、乙酸丁酸纤维素、乙酸丙酸纤维素、氰乙基支链淀粉、氰乙基聚乙烯醇、氰乙基纤维素、氰乙基蔗糖、支链淀粉、羧甲基纤维素、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、乙烯-丙烯-二烯三元共聚物(EPDM)、磺化EPDM、苯乙烯-丁二烯橡胶(SBR)、TFE、氟橡胶和聚酰亚胺组成的组中的至少一种。优选地，聚合物粘合剂可以是选自由PVdF、TFE和聚酰亚胺组成的组中的至少一种。
隔膜还可包含引发剂和/或反应催化剂，并且交联剂的反应温度可以为120℃至160℃。
引发剂可以是偶氮类化合物或过氧化物类化合物。例如，偶氮类化合物可以是选自2,2’-偶氮二(2-甲基丁腈)、2,2’-偶氮二(异丁腈)、2,2’-偶氮二(2,4-二甲基戊腈)和2,2’-偶氮二(4-甲氧基-2,4-二甲基戊腈)中的至少一种。优选地，偶氮类化合物可以是2,2’-偶氮二(异丁腈)。
过氧化物类化合物可以是选自过氧化新癸酸四甲基丁酯、过氧化二碳酸双(4-丁基环己基)酯、过氧化二碳酸二(2-乙基己基)酯、过氧化新癸酸丁酯、过氧化二碳酸二丙酯、过氧化二碳酸二异丙酯、过氧化二碳酸二乙氧基乙酯、过氧化二碳酸二乙氧基己酯、过氧化二碳酸己酯、过氧化二碳酸二甲氧基丁酯、过氧化二碳酸双(3-甲氧基-3-甲氧基丁基)酯、过氧化二碳酸二丁酯、过氧化二碳酸二鲸蜡酯、过氧化二碳酸二肉豆蔻酯、过氧化新戊酸1,1,3,3-四甲基丁酯、过氧化新戊酸己酯、过氧化新戊酸丁酯、过氧化三甲基己酰、过氧化新癸酸二甲基羟基丁酯、过氧化新癸酸戊酯、阿托菲纳、过氧化新癸酸丁酯、过氧化新庚酸叔丁酯、过氧化新戊酸戊酯、过氧化新戊酸叔丁酯、叔戊基过氧-2-乙基己酸酯、过氧化月桂酰、过氧化二月桂酰、过氧化二癸酰、过氧化苯甲酰和过氧化二苯甲酰中的至少一种。
理想的是，隔膜的厚度可以为5μm至30μm。
相对于隔膜中固体的总重量，所述交联剂的含量可大于2重量％且等于或小于20重量％，并且所述隔膜的透气度可以为50sec/100cc至4,000sec/100cc。
本发明提供了一种包含本发明的一个方面所述的电化学设备用多孔隔膜的电化学设备。
具体实施方式
在下文中，将详细描述本发明。应当注意，在本说明书和权利要求书中使用的术语或词语不应被解释为具有普通的和基于词典的含义，而应基于发明人可以适当地定义术语的概念以最佳方法解释本发明的原则，被解释为具有与本发明的技术思想相符的含义和概念。因此，本说明书中描述的实施方式仅是最优选的实施方式，并不涵盖本发明的所有技术思想，因此应当理解，在提交本申请时，可存在能够代替所述实施方式的各种等同物和修改。
根据本发明的一个方面，提供了一种被构造成确保正极和负极之间的电绝缘性的电化学设备用多孔隔膜，
其中，所述隔膜可不包含聚烯烃基材，并且可包含无机颗粒、用于结合无机颗粒的聚合物粘合剂和交联剂。
与常规隔膜相比，本发明的隔膜不包含聚烯烃类隔膜基材。常规隔膜包含一个表面涂布有包含无机材料和粘合剂的无机层的聚烯烃类隔膜基材。然而，在本发明中，省略了常规隔膜基材，并且隔膜由构成无机层的材料制成。
另一方面，作为另一常规隔膜，存在仅包含无机层的隔膜作为隔膜。由于隔膜不包含聚烯烃隔膜基材，因此该常规隔膜的整体强度变低。结果是，置于电极组件之间的隔膜可能受损，从而可能发生短路。
1)交联剂
交联剂可由以下化学式表示。
化学式1
化学式2
化学式3
在化学式1至3中，m是1至100的整数，n是0至30的整数，o是1至1,000的整数。化学式1至3的重均分子量为1,000至100,000。
化学式4
在化学式4中，m4是1至100的整数，n4是0至30的整数，o4是1至1,000的整数。化学式4的重均分子量为1,000至100,000，p是取决于重均分子量的变量。
化学式5
在化学式5中，a和c是1至30的整数，b是1至1,000的整数。重均分子量为1,000至100,000。
相对于隔膜中固体的总重量，交联剂的含量可以大于2重量％且等于或小于20重量％，优选大于2重量％且等于或小于10重量％，更优选大于2重量％且等于或小于8重量％，还更优选大于3重量％且等于或小于7重量％，最优选大于4重量％且等于或小于6重量％。
在交联剂的含量大于上限的情况下，交联不能完全进行。结果是，交联剂可局部用作增塑剂，因此隔膜的拉伸强度反而显著降低，这是不希望的。
在交联剂的含量大于20重量％的情况下，由于无机材料的含量低，隔膜的离子传导性可能变低，并且隔膜的诸如热收缩等机械性质可能变差。
在本发明中，交联剂在特定温度下反应，从而具有三维网状结构。隔膜的密度因网状结构的特性而增加，从而提高了物理性质，特别是刚性。电子迁移因网状结构的特性而受影响，从而增加了绝缘电阻。
交联剂的反应温度可以为120℃至160℃，优选为130℃至150℃。在交联剂的反应温度达到上述反应温度范围时，在低于上述反应温度范围的温度下具有线性结构的交联剂进行反应，从而通过交联形成三维网状结构。
在交联剂的反应温度低于120℃的情况下，交联剂的交联节点彼此不分离，因此交联剂难以进行交联反应，这是不希望的。在交联剂的反应温度高于160℃的情况下，交联剂或与交联剂一起使用的粘合剂可能熔化，这也是不希望的。
另外，由于本发明的隔膜除了无机颗粒和粘合剂外还包含交联剂，因此即使省略隔膜基材，隔膜也可具有高击穿电压。
具体而言，在将作为导电材料的诸如铁(Fe)等异物施加在本发明的隔膜中的情况下，确认了隔膜的击穿电压值与用于车辆用二次电池的包含隔膜基材的隔膜的击穿电压值几乎相同。另外，施加导电材料之前的隔膜的击穿电压与施加导电材料之后的隔膜的击穿电压之间几乎没有差异。
2)无机颗粒
无机颗粒可以在无机颗粒之间形成空隙，从而可以形成微孔并保持作为隔离物的物理形状。在200℃以上的温度下，无机颗粒的物理特性通常不会改变。
无机颗粒没有特别限制，只要无机颗粒是电化学稳定的即可。即，可用于本发明的无机颗粒没有特别限制，只要无机颗粒在应用无机颗粒的电池的工作电压范围(例如，相对于Li/Li+为0至5V)内不被氧化和/或还原即可。特别是，在使用具有高电解质离子转移能力的无机颗粒的情况下，可以提高电化学设备的性能。因此，优选的是，无机颗粒的电解质离子转移能力尽可能高。另外，在无机颗粒具有高密度的情况下，在形成隔膜时可能难以分散无机颗粒，并且在制造电池时电池的重量可能增加。出于这些原因，优选的是无机颗粒的密度较低。另外，在无机颗粒具有高介电常数的情况下，电解质盐(例如锂盐)在液体电解质中的离解度可能增加，从而提高电解质溶液的离子传导性。
出于上述原因，无机颗粒可以是介电常数为1以上、优选10以上的高介电无机颗粒、具有压电性的无机颗粒、具有锂离子转移能力的无机颗粒、氧化铝水合物或其两种以上的混合物。
介电常数为1以上的无机颗粒的实例可包括SrTiO3、SnO2、CeO2、MgO、NiO、CaO、ZnO、ZrO2、Y2O3、Al2O3、TiO2、SiC或其混合物。然而，本发明不限于此。
具有压电性的无机颗粒是以下的材料：在常压下为非导体，但当对其施加一定压力时，由于其内部结构的变化而显示出导电性。在无机颗粒具有高介电值(例如介电常数为100以上)并且无机颗粒在一定压力下被拉伸或压缩的情况下，会产生电荷。一个面被充电为正极，另一面被充电为负极，从而在两个面之间产生电位差。
在使用具有上述特性的无机颗粒的情况下，如果发生外部撞击(例如局部挤压或钉子撞击)，则两个电极都可能发生短路。然而，此时，正极和负极由于涂覆在隔膜上的无机颗粒而无法直接相互接触，并且由于无机颗粒的压电性而在颗粒中可能产生电位差。因此，在两个电极之间实现了电子迁移，即微小电流，从而逐渐降低了电池的电压，因此可以提高电池的稳定性。
具有压电性的无机颗粒的实例可包括BaTiO3、Pb(Zr,Ti)O3(PZT)、Pb1-xLaxZr1- yTiyO3(PLZT)、Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(PMN-PT)、二氧化铪(HfO2)及其混合物。然而，本发明不限于此。
具有锂离子转移能力的无机颗粒是含有锂元素并输送锂离子而不存储锂的无机颗粒。由于存在于颗粒结构中的一种缺陷，具有锂离子转移能力的无机颗粒可以转移和输送锂离子。因此，可以提高电池中的锂离子传导性，因此可以提高电池性能。
具有锂离子转移能力的无机颗粒的实例可包括磷酸锂(Li3PO4)、磷酸钛锂(LixTiy(PO4)3，其中，0<x<2且0<y<3)、磷酸钛铝锂(LixAlyTiz(PO4)3，其中，0<x<2，0<y<1且0<z<3)、诸如14Li2O-9Al2O3-38TiO2-39P2O5等(LiAlTiP)xOy类玻璃(其中，0<x<4且0<y<13)、钛酸镧锂(LixLayTiO3，其中，0<x<2且0<y<3)、诸如Li3.25Ge0.25P0.75S4等硫代磷酸锗锂(LixGeyPzSw，其中，0<x<4，0<y<1，0<z<1且0<w<5)、诸如Li3N等氮化锂(LixNy，其中，0<x<4且0<y<2)、诸如Li3PO4-Li2S-SiS2等SiS2类玻璃(LixSiySz，其中，0<x<3，0<y<2且0<z<4)、诸如LiI-Li2S-P2S5等P2S5类玻璃(LixPySz，其中，0<x<3，0<y<3且0<z<7)及其混合物。然而，本发明不限于此。
根据其制造方法，氧化铝水合物可分为结晶氧化铝水合物或凝胶型氧化铝水合物。结晶氧化铝水合物的实例可包括三水铝石γ-Al(OH)3、三羟铝石Al(OH)3、硬水铝石α-AlOOH和勃姆石γ-AlOOH，并且凝胶型氧化铝水合物可以是通过用氨使含铝离子的水溶液沉淀来制备的氢氧化铝。优选地，可使用勃姆石γ-AlOOH作为凝胶型氧化铝水合物。
在一起使用具有高介电常数的无机颗粒、具有压电性的无机颗粒、具有锂离子转移能力的无机颗粒和氧化铝水合物的情况下，可进一步提高通过这些成分获得的效果。
各无机颗粒的尺寸没有特别限制。但是，为了形成具有均匀厚度的膜并实现适当的孔隙率，各无机颗粒的尺寸可以为0.001μm至10μm。在各无机颗粒的尺寸小于0.001μm的情况下，分散性降低，从而难以调节隔膜的物理性质。在各无机颗粒的尺寸大于10μm的情况下，以相同的固体含量制造的隔膜的厚度增加，使得隔膜的机械性质变差。另外，由于孔的尺寸过大，因此当电池充电和放电时，电池中可能容易发生短路。
3)聚合物粘合剂
当用液体电解质溶液浸渍聚合物粘合剂时，聚合物粘合剂可成为凝胶，由此聚合物粘合剂可具有表现出高的电解质溶液浸渍率的特性。实际上，在聚合物粘合剂是具有高的电解质溶液浸渍率的聚合物的情况下，电池组装后注入的电解质溶液渗入聚合物中，并且浸渍有电解质溶液的聚合物表现出电解质离子转移能力。另外，与常规疏水性聚烯烃类隔膜相比，隔膜在电解质溶液中的润湿性可以得到改善，可以将极性电解质溶液用于电池，这是常规上难以做到的。因此，聚合物粘合剂可具有溶解度参数为15MPa1/2至45MPa1/2、优选15MPa1/2至25MPa1/2和30MPa1/2至45MPa1/2的聚合物。在聚合物粘合剂的溶解度参数小于15MPa1/2以及大于45MPa1/2的情况下，难以用一般的电池用电解质溶液浸渍聚合物粘合剂。
具体而言，聚合物粘合剂可以是选自由聚偏二氟乙烯、聚偏二氟乙烯-六氟丙烯、聚偏二氟乙烯-三氯乙烯、聚偏二氟乙烯-氯三氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯腈、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙酸乙烯酯、乙烯-乙酸乙烯酯共聚物、聚环氧乙烷、乙酸纤维素、乙酸丁酸纤维素、乙酸丙酸纤维素、氰乙基支链淀粉、氰乙基聚乙烯醇、氰乙基纤维素、氰乙基蔗糖、支链淀粉、羧甲基纤维素、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、乙烯-丙烯-二烯三元共聚物(EPDM)、磺化EPDM、苯乙烯-丁二烯橡胶(SBR)、TFE、氟橡胶和聚酰亚胺组成的组中的至少一种。优选地，聚合物粘合剂可以是选自由PVdF、TFE和聚酰亚胺组成的组中的至少一种。
4)引发剂和反应催化剂
隔膜还可包含用于与交联剂反应的引发剂，以便通过交联反应提高隔膜的物理性质。
引发剂可以是偶氮类化合物或过氧化物类化合物。具体而言，偶氮类化合物可以是选自2,2’-偶氮二(2-甲基丁腈)、2,2’-偶氮二(异丁腈)、2,2’-偶氮二(2,4-二甲基戊腈)和2,2’-偶氮二(4-甲氧基-2,4-二甲基戊腈)中的至少一种。优选地，偶氮类化合物是2,2’-偶氮二(异丁腈)。
过氧化物类化合物可以是选自过氧化新癸酸四甲基丁酯、过氧化二碳酸双(4-丁基环己基)酯、过氧化二碳酸二(2-乙基己基)酯、过氧化新癸酸丁酯、过氧化二碳酸二丙酯、过氧化二碳酸二异丙酯、过氧化二碳酸二乙氧基乙酯、过氧化二碳酸二乙氧基己酯、过氧化二碳酸己酯、过氧化二碳酸二甲氧基丁酯、过氧化二碳酸双(3-甲氧基-3-甲氧基丁基)酯、过氧化二碳酸二丁酯、过氧化二碳酸二鲸蜡酯、过氧化二碳酸二肉豆蔻酯、过氧化新戊酸1,1,3,3-四甲基丁酯、过氧化新戊酸己酯、过氧化新戊酸丁酯、过氧化三甲基己酰、过氧化新癸酸二甲基羟基丁酯、过氧化新癸酸戊酯、阿托菲纳、过氧化新癸酸丁酯、过氧化新庚酸叔丁酯、过氧化新戊酸戊酯、过氧化新戊酸叔丁酯、叔戊基过氧-2-乙基己酸酯、过氧化月桂酰、过氧化二月桂酰、过氧化二癸酰、过氧化苯甲酰和过氧化二苯甲酰中的至少一种。
5)隔膜的特性
与常规隔膜相比，本发明的隔膜被构造成具有不包含隔膜基材的结构，因此隔膜的强度可能较低。为此原因，隔膜可具有相对较大的厚度。隔膜的厚度可以为5μm至30μm。
在隔膜的厚度小于5μm的情况下，隔膜的强度低，由此隔膜可能容易受损，这是不希望的。在隔膜的厚度大于30μm的情况下，电极组件的整体厚度增加，由此电池的容量可能减小，这也是不希望的。
隔膜的透气度可以为50sec/100cc至4,000sec/100cc。在隔膜的透气度小于50sec/100cc的情况下，隔膜的绝缘特性非常低，这是不希望的。在隔膜的透气度大于4,000sec/100cc的情况下，电解质溶液对隔膜的浸渍性和隔膜的离子传导性变低，这也是不希望的。
隔膜的物理性质受反应温度和反应时间的影响。随着反应温度和反应时间增加，交联的程度增加。
6)电极组件的构成和应用
本发明还提供了一种电化学设备，其包含正极、负极、置于正极和负极之间的隔膜以及电解质。此处，电化学设备可以是锂二次电池。
可通过将正极活性材料、导电剂和粘合剂的混合物涂布至正极集电体并将该混合物干燥来制造正极。必要时可对该混合物进一步添加填料。
一般而言，正极集电体制造成具有3μm至500μm的厚度。正极集电体没有特别限制，只要正极集电体表现出高导电性同时正极集电体在应用正极集电体的电池中不引起任何化学变化即可。例如，正极集电体可由不锈钢、铝、镍、钛或烧结碳制成。作为另选，正极集电体可由表面用碳、镍、钛或银处理过的铝或不锈钢制成。另外，正极集电体可具有在其表面上形成的微观不均匀图案以便提高正极活性材料的粘附力。正极集电体可构造为各种形式，例如膜、片、箔、网、多孔体、泡沫体和无纺布体的形式。
正极活性材料可以是但不限于层状化合物，例如锂钴氧化物(LiCoO2)或锂镍氧化物(LiNiO2)，或取代有一种或多种过渡金属的化合物；化学式Li1+xMn2-xO4(其中，x＝0至0.33)表示的锂锰氧化物或诸如LiMnO3、LiMn2O3或LiMnO2等锂锰氧化物；锂铜氧化物(Li2CuO2)；钒氧化物，例如LiV3O8、V2O5或Cu2V2O7；化学式LiNi1-xMxO2(其中，M＝Co、Mn、Al、Cu、Fe、Mg、B或Ga，x＝0.01至0.3)表示的Ni位型锂镍氧化物；化学式LiMn2-xMxO2(其中，M＝Co、Ni、Fe、Cr、Zn或Ta，x＝0.01至0.1)或化学式Li2Mn3MO8(其中，M＝Fe、Co、Ni、Cu或Zn)表示的锂锰复合氧化物；化学式中的Li被碱土金属离子部分取代的LiMn2O4；二硫化物；或Fe2(MoO4)3。
通常添加导电剂使得导电剂占包含正极活性材料的混配物总重量的1重量％至30重量％。导电剂没有特别限制，只要导电剂表现出高导电性同时在应用导电剂的电池中不引起任何化学变化即可。例如，作为导电剂，可使用：石墨，例如天然石墨或人造石墨；碳黑，例如炭黑、乙炔黑、科琴黑、槽黑、炉黑、灯黑或热裂法碳黑；导电纤维，例如碳纤维或金属纤维；金属粉末，例如碳氟化合物粉末、铝粉末或镍粉末；导电晶须，例如氧化锌或钛酸钾；导电金属氧化物，例如氧化钛；或诸如聚亚苯基衍生物等导电材料。
粘合剂是有助于活性材料和导电剂之间的粘合以及与集电体的粘合的成分。基于包含正极活性材料的混配物的总重量，粘合剂的添加量通常为1重量％至30重量％。作为粘合剂的实例，可以使用聚偏二氟乙烯、聚乙烯醇、羧甲基纤维素(CMC)、淀粉、羟丙基纤维素、再生纤维素、聚乙烯吡咯烷酮、四氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、乙烯-丙烯-二烯三元共聚物(EPDM)、磺化EPDM、苯乙烯-丁二烯橡胶、氟橡胶和各种共聚物。
填料是用于抑制正极膨胀的可选成分。填料没有特别限制，只要其在应用填料的电池中不引起化学变化并且由纤维材料制成即可。作为填料的实例，可使用烯烃聚合物，例如聚乙烯和聚丙烯；以及纤维材料，例如玻璃纤维和碳纤维。
可通过将负极材料涂布至负极集电体并将其干燥来制造负极。必要时可选择性地进一步包含上述成分。
一般而言，负极集电体制造成具有3μm至500μm的厚度。负极集电体没有特别限制，只要负极集电体表现出高导电性同时负极集电体在应用负极集电体的电池中不引起任何化学变化即可。例如，负极集电体可由铜、不锈钢、铝、镍、钛或烧结碳制成。作为另选，负极集电体可由表面用碳、镍、钛或银处理过的铜或不锈钢或者铝-镉合金制成。另外，负极集电体可具有以与正极集电体相同的方式在其表面上形成的微观不均匀图案以便提高负极活性材料的粘附力。负极集电体可构造为各种形式，例如膜、片、箔、网、多孔体、泡沫体和无纺布体的形式。
作为负极活性材料，例如可使用：碳，例如硬碳或石墨类碳；金属复合氧化物，例如LixFe2O3(0≤x≤1)、LixWO2(0≤x≤1)、SnxMe1-xMe’yOz(Me：Mn、Fe、Pb、Ge；Me’：Al、B、P、Si、周期表的第1、2和3族元素、卤素；0<x≤1；1≤y≤3；1≤z≤8)；锂金属；锂合金；硅基合金；锡基合金；金属氧化物，例如SnO、SnO2、PbO、PbO2、Pb2O3、Pb3O4、Sb2O3、Sb2O4、Sb2O5、GeO、GeO2、Bi2O3、Bi2O4或Bi2O5；导电聚合物，例如聚乙炔；或Li-Co-Ni类材料。
根据本发明的另一方面，提供了一种包含该电化学设备的电池组。
具体而言，电池组可用作需要高温安全性、长寿命、高倍率特性等的设备的电源。所述设备的具体实例包括移动电子设备、可穿戴电子设备、由电池供电的电动机驱动的电动工具；电动汽车，例如电动车辆(EV)、混合动力电动车辆(HEV)、插电式混合动力电动车辆(PHEV)；电动两轮车，例如电动自行车(E-bike)或电动踏板车(E-scooter)；电动高尔夫球车；以及电力存储系统。然而，本发明不限于此。
设备的结构和制造方法在本发明所属领域内是公知的，并且将省略对其的详细描述。
实施例
在下文中，将参考以下实施例和实验例详细描述本发明；然而，本发明不限于这些实施例和实验例。实施例可以修改为各种其他形式，并且本发明的范围不应被解释为限于将详细描述的实施例。实施例是为了向本发明所属领域的普通技术人员更全面地解释本发明而提供的。
<实施例1>
制造浆料使得固体的含量为浆料总重量的18重量％，所述固体包含以78:20:2的比率混合的作为无机颗粒的勃姆石(AlO(OH))、作为粘合剂的聚偏二氟乙烯-六氟丙烯共聚物(PVdF-HFP,5130)和作为交联剂的化学式4表示的化合物。
具体而言，将28.08g勃姆石(AlO(OH))、7.2g的PVdF-HFP和0.72g的化学式4表示的化合物加入164g丙酮中以制造浆料。该浆料形成为具有隔膜的形状，然后在150℃干燥30分钟以制造隔膜。在交联反应后，将隔膜在环境温度下进一步干燥以完成隔膜。
<实施例2>
使用与实施例1相同的方法制造隔膜，不同之处在于，将0.0072g作为引发剂的2,2’-偶氮二(异丁腈)加入根据实施例1制造的浆料中。
<实施例3>
使用与实施例1相同的方法制造隔膜，不同之处在于，在实施例1的浆料中使用化学式5表示的化合物代替化学式4表示的化合物。
<实施例4>
使用与实施例2相同的方法制造隔膜，不同之处在于，在实施例2的浆料中使用化学式5表示的化合物代替化学式4表示的化合物。
<比较例1>
使用与实施例1相同的方法制造隔膜，不同之处在于，使用包含以78:22的比率混合的勃姆石(AlO(OH))和聚偏二氟乙烯-六氟丙烯共聚物(PVdF-HFP,5130)的固体，而没有作为交联剂的化学式4表示的化合物和化学式5表示的化合物。
<实验例1>
测量了实施例1、实施例2、实施例3、实施例4和比较例1的隔膜的体积电阻率、电阻、拉伸强度、膨胀率、透气度和厚度。
[表1]
工业适用性
由以上描述显而易见的是，本发明的电化学设备用多孔隔膜不包括用作常规隔膜的隔膜基材的聚烯烃基材，并且由包含无机颗粒、粘合剂和交联剂的材料制成。因此，可以解决隔膜基材的热稳定性低的问题。此外，交联剂化合物形成三维网状结构，从而可以显著提高隔膜的绝缘性。
另外，由于交联剂从线性结构变为了三维网状结构，故提高了隔膜的拉伸强度和伸长率，从而降低了隔膜受损的可能性。因此，可以防止电池中的短路。
另外，其优点在于，其具有高温环境下的高稳定性、优异的电解质浸渍特性和高离子转移能力。
Claims (15)
1.一种电化学设备用多孔隔膜，其被构造成确保正极和负极之间的电绝缘性，其中，
所述隔膜不包含聚烯烃基材，并如下制备：将包含无机颗粒、用于结合所述无机颗粒的聚合物粘合剂和交联剂的隔膜用组合物混合，涂覆，干燥，然后使所述交联剂交联，
其中，相对于所述隔膜中固体的总重量，所述组合物中所述交联剂的含量大于0重量％且等于或小于5重量％。
2.如权利要求1所述的电化学设备用多孔隔膜，其中，所述交联剂由化学式1至5表示：
化学式1
化学式2
化学式3
在化学式1至3中，m是1至100的整数，n是0至30的整数，o是1至1,000的整数，化学式1至3的重均分子量为1,000至100,000，
化学式4
在化学式4中，m4是1至100的整数，n4是0至30的整数，o4是1至1,000的整数，化学式4的重均分子量为1,000至100,000，p是取决于重均分子量的变量，
化学式5
在化学式5中，a和c是1至30的整数，b是1至1,000的整数，重均分子量为1,000至100,000。
3.如权利要求1所述的电化学设备用多孔隔膜，其中，所述无机颗粒是介电常数为1以上的高介电无机颗粒、具有压电性的无机颗粒、具有锂离子转移能力的无机颗粒、氧化铝水合物或其两种以上的混合物。
4.如权利要求2所述的电化学设备用多孔隔膜，其中，所述无机颗粒是选自由Al2O3、AlOOH、SiO2、MgO、TiO2和BaTiO2组成的组中的至少一种。
5.如权利要求1所述的电化学设备用多孔隔膜，其中，所述聚合物粘合剂是选自由聚偏二氟乙烯、聚偏二氟乙烯-六氟丙烯、聚偏二氟乙烯-三氯乙烯、聚偏二氟乙烯-氯三氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯腈、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙酸乙烯酯、乙烯-乙酸乙烯酯共聚物、聚环氧乙烷、乙酸纤维素、乙酸丁酸纤维素、乙酸丙酸纤维素、氰乙基支链淀粉、氰乙基聚乙烯醇、氰乙基纤维素、氰乙基蔗糖、支链淀粉、羧甲基纤维素、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、乙烯-丙烯-二烯三元共聚物(EPDM)、磺化EPDM、苯乙烯-丁二烯橡胶(SBR)、TFE、氟橡胶和聚酰亚胺组成的组中的至少一种。
6.如权利要求5所述的电化学设备用多孔隔膜，其中，所述聚合物粘合剂是选自由PVdF、TFE和聚酰亚胺组成的组中的至少一种。
7.如权利要求1所述的电化学设备用多孔隔膜，其中，所述隔膜还包含引发剂和/或反应催化剂。
8.如权利要求1所述的电化学设备用多孔隔膜，其中，所述交联剂的反应温度为120℃至160℃。
9.如权利要求7所述的电化学设备用多孔隔膜，其中，所述引发剂是偶氮类化合物或过氧化物类化合物。
10.如权利要求9所述的电化学设备用多孔隔膜，其中，所述偶氮类化合物是选自2,2’-偶氮二(2-甲基丁腈)、2,2’-偶氮二(异丁腈)、2,2’-偶氮二(2,4-二甲基戊腈)和2,2’-偶氮二(4-甲氧基-2,4-二甲基戊腈)中的至少一种。
11.如权利要求9所述的电化学设备用多孔隔膜，其中，所述过氧化物类化合物是选自过氧化新癸酸四甲基丁酯、过氧化二碳酸双(4-丁基环己基)酯、过氧化二碳酸二(2-乙基己基)酯、过氧化新癸酸丁酯、过氧化二碳酸二丙酯、过氧化二碳酸二异丙酯、过氧化二碳酸二乙氧基乙酯、过氧化二碳酸二乙氧基己酯、过氧化二碳酸己酯、过氧化二碳酸二甲氧基丁酯、过氧化二碳酸双(3-甲氧基-3-甲氧基丁基)酯、过氧化二碳酸二丁酯、过氧化二碳酸二鲸蜡酯、过氧化二碳酸二肉豆蔻酯、过氧化新戊酸1,1,3,3-四甲基丁酯、过氧化新戊酸己酯、过氧化新戊酸丁酯、过氧化三甲基己酰、过氧化新癸酸二甲基羟基丁酯、过氧化新癸酸戊酯、阿托菲纳、过氧化新癸酸丁酯、过氧化新庚酸叔丁酯、过氧化新戊酸戊酯、过氧化新戊酸叔丁酯、叔戊基过氧-2-乙基己酸酯、过氧化月桂酰、过氧化二月桂酰、过氧化二癸酰、过氧化苯甲酰或过氧化二苯甲酰中的至少一种。
12.如权利要求1所述的电化学设备用多孔隔膜，其中，所述隔膜的厚度为5μm至30μm。
13.如权利要求1所述的电化学设备用多孔隔膜，其中，相对于所述隔膜中固体的总重量，所述交联剂的含量大于0重量％且等于或小于5重量％。
14.如权利要求1所述的电化学设备用多孔隔膜，其中，所述隔膜的透气度为50sec/100cc至4,000sec/100cc。
15.一种电化学设备，其包含权利要求1至14中任一项所述的电化学设备用多孔隔膜。
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