CN112909429A - 一种动力电池隔膜及其锂电池 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种动力电池隔膜及其锂电池，其特征在于，隔膜厚度为5～9微米，孔隙率为30％～60％；隔膜在200℃下的尺寸热收缩率0.01～8％；隔膜的离子电导率为0.72～3.70mS·cm‑1。本申请的技术优点在于：具有隔热、散热性能好、阻燃能力强、安全寿命长；解决目前商业化的隔膜存在的因温度过高而导致膜破裂致使电池内部短路或者爆炸等危险事故的问题；具有更好的电解液浸润性进而提高电池的离子电导率，对于锂离子电池的倍率性和容量的改进具有很大的帮助；本发明的动力电池隔膜可用在电动汽车电池行业和锂离子电池制造上，提高电池的使用寿命、耐热安全性、倍率性能、循环使用特性以及化学稳定性等。

Description

一种动力电池隔膜及其锂电池
技术领域
本发明涉及隔膜生产技术领域，具体的说，是一种动力电池隔膜及其锂电池。
背景技术
近年来，随着电动汽车行业、储能电池等新能源的发展和革新，锂电池作为公认的理想储能原件，成为当下倍受关注的热点，锂离子电池具有比容量大、工作电压高、充放电速度快、工作温度范围宽、循环寿命长、体积小和重量轻等诸多优点，已经广泛应用于移动电话、笔记本电脑和电动工具等领域。在锂电池的结构中，隔膜是关键的内层组件之一，起到隔绝正负极，保证锂离子通过的作用。隔膜的性能决定了电池的界面结构、内阻等，直接影响电池的容量、循环以及安全性能等综合性能。习惯上，应用于动力电源系统的化学电源成为动力电池，如动力工具、电动车等领域。同时要求电池具有更高的容量性能和优良的安全性能。
目前，商业化的隔膜具有耐热性差，熔化温度低，高温下容易收缩，进而导致正负极直接接触刺破隔膜导致电池内部短路；另外动力电池体积容量较大，散热性较弱，高温时电解液体系容易分解并散热，导致电池内部短路甚至爆炸；除此之外，在过充时，电池负极区域易产生锂枝晶刺破隔膜使电池短路引发热失控，进而影响锂离子电池的安全性等问题。因此对隔膜进行改性提高其性能是提高电池的循环性能、使用寿命和化学性能等方面的前提条件。其中耐高温、高容量、高倍率的锂电池隔膜和电极材料是未来动力电池发展的主要趋势。动力电池隔膜不仅具有隔热、散热性能好、阻燃能力强、安全寿命长等特点，还可以提高电解液的浸润性并提高电池的容量和倍率性能。利用7μ动力电池隔膜的优异的耐高温性和安全寿命性，应用于耐高温动力电池隔膜上具有很大的发展的前景，并且对于提高电池的安全寿命和倍率性能有着关键的作用。
在全球重点发展电动车、储能电池等新能源产业的今天，锂电池作为公认的理想储能元件，得到了更高的关注。我国也在动力电池领域投入了巨大的资金和政策支持，已经涌现了比亚迪、比克、力神、中航锂电等全球电池行业引人注目的骨干企业。正极材料、负极材料、电池隔膜、电解液是锂电池最重要的四项原材料，锂电池隔膜由于投资风险大、技术门槛高，一直未能实现国内大规模生产，成为制约我国锂电池行业发展的瓶颈，特别是在对安全性、一致性要求更高的动力锂离子电池领域，更是我国从锂电池生产大国到锂电池生产强国难以逾越的障碍。为此有必要研发一种隔热、散热性能好、阻燃能力强、安全寿命长耐高温的7μ动力电池隔膜，进而提高锂离子电池的倍率性、容量以及安全寿命性。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种动力电池隔膜。
本发明的目的在于提供一种性能更好的动力电池隔膜，而本申请的动力电池隔膜用于解决现有技术中采用陶瓷隔膜、聚烯烃隔膜(PP、PE、PP/PE/PP)的耐热性差、安全低的问题。本申请的创新点为：具有隔热、散热性能好、阻燃能力强、安全寿命长；解决目前商业化的隔膜存在的因温度过高而导致电池内部短路或者爆炸等危险事故的问题；具有更好的电解液浸润性进而提高电池的离子电导率，对于锂离子电池的倍率性和容量的改进具有很大的帮助。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种动力电池隔膜，其特征在于，隔膜厚度为5～9微米，孔隙率为30～60％。
所述的隔膜的厚度为7微米。
所述的隔膜在200℃下的尺寸热收缩率0.01～8％。通过这样的热收缩性能测试，可以观察所述隔膜在这样的温度下的耐热性，热收缩率更低则说明所述隔膜的耐热性，有效的避免电池因热收缩或者高温被刺破而导致电池内部短路的事故发生，大大的提高电池的安全性和寿命。
所述的成品隔膜的离子电导率为0.72～3.70mS·cm-1，比商业化隔膜的有所改善，且组装的锂离子电池的循环稳定性和倍率性能大大提高。比商业化隔膜的有所改善，且组装的锂离子电池的循环稳定性和倍率性能大大提高。
所述的隔膜透气值为70～300s/100cc，电解液吸液率为60～1000％。
PVDF/陶瓷的粒径为0.1～10纳米。
本申请动力电池隔膜的制备方法，其具体步骤为：
(1)PVDF/陶瓷浆料的制备：PVDF，陶瓷，分散剂，粘结剂混合均匀制备得到的PVDF/陶瓷隔膜；搅拌机下以300～1200rpm的速度进行搅拌，搅拌时间是0.02～5h，得到的浆料粒径为0.1～10nm；
在PVDF/陶瓷浆料中，各原料的质量分数为：
Figure BDA0002275529560000031
(2)电极浆料的制备：分散剂、粘结剂、表面活性剂混合均匀制备得到电极浆料；搅拌机下以300～1200rpm的速度进行搅拌，搅拌时间是0.02-5h。得到的浆料粒径为0.1～10nm；将PVDF/陶瓷隔膜浆料或电极浆料在搅拌机下以300～1200rpm的速度进行搅拌，搅拌时间是0.02～5h，得到隔膜产品，备用；对得到隔膜产品进行涂布，涂布温度为0～150℃，涂布拉伸速差为0.1～20％；接着进行复卷，温度为80～150℃、收放卷张力为0.1～100N；最后进行分切，分切收放卷张力为0.1～50N以及接触压为0.01～0.20N；得到动力电池隔膜。
在电极浆料中，各原料的质量分数为：
分散剂 0.1％～5％
粘结剂 0.1％～5％
表面活性剂 0.1％～98％
接着是对动力电池隔膜进行相关的表征测试：电解液浸润性测试、热收缩性能测试、离子电导率测试。
与现有技术相比，本发明的积极效果是：
本申请的动力电池隔膜比商业化隔膜具有更好的耐热性，能够在高温下保持更低的热收缩率，可以提供良好的安全性，有效的避免因隔膜高温热收缩被刺破而致使电池内部短路等危险事故的发生。
本申请的动力电池隔膜比商业化隔膜具有更好的电解液浸润性和保液能力，可以有效的提高电池的离子电导率，进而提高电池的容量和倍率性能，为提供更高倍率的新型电池做出了贡献。
本申请的动力电池隔膜比商业化隔膜更薄，则在改善隔膜的孔隙率和透气性方面起到一个很好的作用，这也有利于提高锂离子电池的综合性能。
附图说明
图1显示为本发明的动力电池隔膜的结构示意图，
具体实施方式
以下提供本发明一种动力电池隔膜及其锂电池的具体实施方式。
如图1所示，本申请提供一种7μ动力电池隔膜，1为箔材，2为电极浆料，3为PVDF/陶瓷隔膜(总厚度为7μ)。
如表1所示，本申请的7μ动力电池隔膜的电解液浸润性测试和离子电导率数据结果，可以发现7μ动力电池隔膜在不同的复卷温度下具有不同的性能，当复卷温度为80℃和150℃时，7μ动力电池隔膜的热收缩率大于或等于8％，且电解液吸收率为200％-500％，离子电导率为0.72mS·cm-1-1.70mS·cm-1；而当复卷温度为130℃时，7μ动力电池隔膜的热收缩率小于或等于3％，电解液吸收率500％-1000％，离子电导率为1.72mS·cm-1-3.70mS·cm-1。综上可知，复卷温度范围为80-150℃时的7μ动力电池隔膜性能更好；其中复卷温度为130℃条件下的7μ动力电池隔膜的隔热和耐热性能更好，且具有更好的电解液和离子电导率，可以有效的避免隔膜在高温下出现热收缩或者破膜现象的发生，致使正负极直接接触导致电池内部短路，引发安全性隐患，具有很大的发展前景。
如表2所示，本申请的7μ动力电池隔膜的电解液浸润性测试和离子电导率数据结果，可以发现7μ动力电池隔膜在不同的分切接触压下具有不同的性能，当分切接触压为0.01N和0.20N时，7μ动力电池隔膜的热收缩率大于或等于8％，且电解液吸收率为200～500％，离子电导率为0.72mS·cm-1～1.70mS·cm-1；而当分切接触压为0.10N时，7μ动力电池隔膜的热收缩率小于或等于3％，电解液吸收率500～1000％，离子电导率为1.72mS·cm-1～3.70mS·cm-1。综上可知，分切接触压取值为0.01-0.20N范围得到的7μ动力电池隔膜的性能更好，其中分切接触压为0.10N时得到的7μ动力电池隔膜的隔热和耐热性能更好，且具有更好的电解液和离子电导率，可以有效的避免隔膜在高温下出现热收缩或者破膜现象的发生，致使正负极直接接触导致电池内部短路，引发安全性隐患，具有很大的发展前景。
实施例1
将制备得到的PVDF/陶瓷隔膜内层双面涂布电极浆料，厚度为7μm；在喷涂机上以1000rpm的搅拌速度，搅拌2h，得到粒径为2nm的浆料，以100℃的涂布温度、拉伸速差为0.1％进行涂布；得到的涂布膜孔隙率为43％，透气值为220s/100cc，进行45℃的烘干；紧接着进行复卷，以80℃复卷温度和收放卷张力为20N；再进行分切，分切收放卷张力为0.1N，接触压为0.01N，得到的本申请成品-7μ动力电池隔膜热收缩率大于或等于8％，电解液吸收率200～500％，离子电导率为0.72mS·cm-1～1.70mS·cm-1。
实施例2
将制备得到的PVDF/陶瓷隔膜内层双面涂布电极浆料，厚度为7μm；在喷涂机上以1000rpm的搅拌速度，搅拌2h，得到粒径为2nm的浆料，以100℃的涂布温度、拉伸速差为0.1％进行涂布；得到的涂布膜孔隙率为43％，透气值为220s/100cc，进行45℃的烘干；紧接着进行复卷，以130℃复卷温度和收放卷张力为20N；再进行分切，分切收放卷张力为0.1N，接触压为0.01N，得到的本申请成品-7μ动力电池隔膜热收缩率小于或等于3％，电解液吸收率500％-1000％，离子电导率为1.72mS·cm-1-3.70mS·cm-1。
实施例3
将制备得到的PVDF/陶瓷隔膜内层双面涂布电极浆料，厚度为7μm；在喷涂机上以1000rpm的搅拌速度，搅拌2h，得到粒径为2nm的浆料，以100℃的涂布温度、拉伸速差为0.1％进行涂布；得到的涂布膜孔隙率为43％，透气值为220s/100cc，进行45℃的烘干；紧接着进行复卷，以150℃复卷温度和收放卷张力为20N；再进行分切，分切收放卷张力为0.1N，接触压为0.01N，得到的本申请成品-7μ动力电池隔膜热收缩率大于或等于8％，电解液吸收率200％-500％，离子电导率为0.72mS·cm-1-1.70mS·cm-1。
实施例4
将制备得到的PVDF/陶瓷隔膜内层双面涂布电极浆料，厚度为7μm；在喷涂机上以1000rpm的搅拌速度，搅拌2h，得到粒径为2nm的浆料，以100℃的涂布温度、拉伸速差为0.1％进行涂布；得到的涂布膜孔隙率为43％，透气值为220s/100cc，进行45℃的烘干；紧接着进行复卷，以130℃复卷温度和收放卷张力为20N；再进行分切，分切收放卷张力为0.1N，接触压为0.10N，得到的本申请成品-7μ动力电池隔膜热收缩率小于或等于3％，电解液吸收率500～1000％，离子电导率为1.72mS·cm-1～3.70mS·cm-1。
实施例5
将制备得到的PVDF/陶瓷隔膜内层双面涂布电极浆料，厚度为7μm；在喷涂机上以1000rpm的搅拌速度，搅拌2h，得到粒径为2nm的浆料，以100℃的涂布温度、拉伸速差为0.1％进行涂布；得到的涂布膜孔隙率为43％，透气值为220s/100cc，进行45℃的烘干；紧接着进行复卷，以130℃复卷温度和收放卷张力为20N；再进行分切，分切收放卷张力为0.1N，接触压为0.20N，得到的本申请成品-7μ动力电池隔膜热收缩率大于或等于8％，电解液吸收率200％-500％，离子电导率为0.72mS·cm-1～1.70mS·cm-1。
综上所述，本申请提供一种7μ动力电池隔膜，利用不同的复卷温度以及不同的分切接触压制备得到性能更好的7μ动力电池隔膜；本申请的7μ动力电池隔膜在复卷温度为130℃下和分切接触压为0.10N下的热收缩率小于或等于3％，且其电解液吸收率为500～1000％以及离子电导率为1.72mS·cm-1～3.70mS·cm-1；可见此时的7μ动力电池隔膜的耐热和隔热性能以及热闭孔性能更好，且其具有更好的解液浸润性和更高的离子电导率。
表1显示为本申请的动力电池隔膜的电解液浸润性测试和离子电导率数据结果；
表2显示为本申请的动力电池隔膜的热收缩性能测试。
表1
Figure BDA0002275529560000081
表2
Figure BDA0002275529560000091
以上所述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，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种动力电池隔膜，其特征在于，隔膜厚度为5～9微米，孔隙率为30％～60％；
隔膜在200℃下的尺寸热收缩率0.01～8％；。
隔膜的离子电导率为0.72～3.70mS·cm-1。
2.如权利要求1所述的一种动力电池隔膜，其特征在于，所述的隔膜的透气值为70～300s/100cc，电解液吸液率为60～1000％。
3.如权利要求1所述的一种动力电池隔膜，其特征在于，所述的隔膜的厚度为7微米。
4.一种动力电池隔膜的制备方法，其特征在于，其具体步骤为：
(1)PVDF/陶瓷浆料的制备：PVDF，陶瓷，分散剂，粘结剂混合均匀制备得到的PVDF/陶瓷隔膜；搅拌机下以300～1200rpm的速度进行搅拌，搅拌时间是0.02～5h，得到的浆料粒径为0.1～10nm；
(2)电极浆料的制备：分散剂、粘结剂、表面活性剂混合均匀制备得到电极浆料；搅拌机下以300～1200rpm的速度进行搅拌，搅拌时间是0.02-5h。得到的浆料粒径为0.1～10nm；将PVDF/陶瓷隔膜浆料或电极浆料在搅拌机下以300～1200rpm的速度进行搅拌，搅拌时间是0.02～5h，得到隔膜产品，备用；对得到隔膜产品进行涂布，涂布温度为0～150℃，涂布拉伸速差为0.1～20％；接着进行复卷，温度为80～150℃、收放卷张力为0.1～100N；最后进行分切，分切收放卷张力为0.1～50N以及接触压为0.01～0.20N；得到动力电池隔膜。
5.根据权利要求1所述的一种动力电池隔膜的制备方法，其特征在于，PVDF/陶瓷的粒径为0.1～10纳米。
6.根据权利要求1所述的一种动力电池隔膜的制备方法，其特征在于，在电极浆料中，各原料的质量分数为：
分散剂 0.1％～5％
粘结剂 0.1％～5％
表面活性剂 0.1％～98％。
7.根据权利要求1所述的一种动力电池隔膜的制备方法，其特征在于，在PVDF/陶瓷浆料中，各原料的质量分数为：
Figure FDA0002275529550000021
8.一种锂电池，其特征在于，其包含根据权利要求1-7中任意一项所述的隔膜。
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