CN116995366A - 一种电池隔膜及其制备方法与在制备电池中的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电池隔膜制备技术领域,具体公开了一种电池隔膜及其制备方法与在制备电池中的应用。所述的电池隔膜的表面涂覆有电容层。所述的电池隔膜的制备方法,包含如下步骤:将炭材料、粘结剂和溶剂混合均匀得到电容浆料;将电容浆料涂覆到电池隔膜表面,干燥后得表面涂覆有电容层的电池隔膜,即本发明所述的电池隔膜。本发明所述的电池隔膜由于表面涂覆电容层,可以使得锂/钠离子电池产生赝电容效应,进而可以提高锂/钠离子电池的电池容量以及循环性能。此外,本发明所述的方法安全环保、操作简便、低成本制备,并且可高效制备高性能电容层隔膜,有较大机会实现商业化。
Description
技术领域
本发明涉及电池隔膜制备技术领域,具体涉及一种电池隔膜及其制备方法与在制备电池中的应用。
背景技术
随着人工智能和电动汽车的迅速发展,商用锂离子电池的低能量密度和比容量的缺点被凸显出来。为了解决这个问题,人们开始致力于开发具有高能量密度和低成本的先进能量存储系统。其中,锂/钠离子电池是通过锂/钠离子在正极和负极间的移动实现化学能向电能转换,锂/钠离子电池有正极、负极、电解质和隔膜组成,在非水系二次电池中,隔膜在安全方面发挥着至关重要的作用。隔膜作为电池的重要组成部分,其核心作用是保障离子的选择性渗透。
然而,隔膜除了具有保障离子的选择性渗透作用外,是否对电池的电池容量以及循环性能有着影响,有待进一步研究。
发明内容
为了克服现有技术中存在的至少之一的技术问题,本发明首先提供了一种电池隔膜。
本发明所要解决的上述技术问题,通过以下技术方案予以实现:
本发明首先提供了一种电池隔膜,所述的电池隔膜的表面涂覆有电容层。
优选地,所述的电容层中的炭材料选自介孔石墨烯、介孔碳以及电容炭中的一种或者二种以上的混合。
发明人在研究中惊奇的发现,在电池隔膜的表面涂覆电容层,可以使得锂/钠离子电池产生赝电容效应,进而可以提高锂/钠离子电池的电池容量以及循环性能。
在此发明人需要说明的是,电容层中的炭材料的选择十分关键,电容层中的炭材料只有选自介孔石墨烯、介孔碳以及电容炭中的一种或者二种以上的混合时制备得到的表面涂覆有电容层的电池隔膜才能大幅提高锂/钠离子电池的电池容量以及循环性能;然而,电容层中选用其它碳材料制备得到的表面涂覆有电容层的电池隔膜并不能大幅提高锂/钠离子电池的电池容量以及循环性能。
优选地,所述的电池为锂离子电池或钠离子电池或石墨电池。
本发明还提供了一种电池隔膜的制备方法,其包含如下步骤:
将炭材料、粘结剂和溶剂混合均匀得到电容浆料;
将电容浆料涂覆到电池隔膜表面,干燥后得表面涂覆有电容层的电池隔膜,即本发明所述的电池隔膜。
优选地,所述的炭材料选自介孔石墨烯、介孔碳以及电容炭中的一种或者二种以上的混合。
优选地,所述的隔膜为聚乙烯隔膜、聚丙烯隔膜或玻璃纤维隔膜。
进一步优选地,所述的隔膜为含有陶瓷涂层的聚乙烯隔膜、含有陶瓷涂层的聚丙烯隔膜。
优选地,炭材料、粘结剂和溶剂的重量比为0.85~0.95:0.05~0.15:1;
最优选地,炭材料、粘结剂和溶剂的重量比为0.9:0.1:1。
优选地,所述的粘结剂选自聚乙烯醇、聚四氟乙烯、羧甲基纤维素钠、聚偏二氟乙烯、丁苯橡胶、聚丙烯酸以及聚丙烯腈中的一种或者二种以上的混合。
优选地,所述的溶剂选自水、N-甲基吡咯烷酮以及乙醇中的一种或者二种以上的混合。
优选地,所述的干燥,其具体方式为烘干。
优选地,所述的混合为搅拌、球磨或砂磨。
优选地,所述的涂覆方式为刮刀式、辊涂转移式或狭缝挤压式。
优选地,所述的烘干方式为远红外辐射枯燥、双面送风飘浮枯燥、惯例对流热风枯燥、循环热风冲击枯燥、过热水蒸气枯燥或微波枯燥。
有益效果:本发明提供了一种全新的电池隔膜,所述的电池隔膜的表面涂覆有电容层。本发明所述的电池隔膜由于表面涂覆电容层,可以使得锂/钠离子电池产生赝电容效应,进而可以提高锂/钠离子电池的电池容量以及循环性能。
此外,本发明所述的方法安全环保、操作简便、低成本制备,并且可高效制备高性能电容层隔膜,有较大机会实现商业化。
具体实施例方式
以下结合具体实施例来进一步解释本发明,但实施例对本发明不做任何形式的限定。
实施例1
在搅拌釜中加入8g磷酸铁锂、1g SP导电炭黑、1g聚偏二氟乙烯和10gN-甲基吡咯烷酮,搅拌均匀获得浆料,然后将浆料涂覆到铝箔上,最后将涂覆浆料的铝箔置于80℃真空干燥箱中干燥一晚上得正极极片。
将0.9g介孔石墨烯、0.1g聚偏二氟乙烯和1gN-甲基吡咯烷酮加入到搅拌釜中搅拌均匀形成电容浆料,然后将电容浆料涂覆到聚丙烯隔膜的一面,然后将涂覆电容浆料的聚丙烯隔膜置于60℃真空干燥箱中干燥一晚上得涂覆电容层聚丙烯隔膜。
最后将制得的正极极片为电池极片,涂覆电容层聚丙烯隔膜为隔膜,隔膜的电容层在正极一侧装配成纽扣电池测试性能。
实施例2
在搅拌釜中加入8g磷酸铁锂、1g SP导电炭黑、1g聚偏二氟乙烯和10g N-甲基吡咯烷酮,搅拌均匀获得浆料,然后将浆料涂覆到铝箔上,最后将涂覆浆料的铝箔置于80℃真空干燥箱中干燥一晚上得正极极片。
将0.9g介孔石墨烯、0.1g聚偏二氟乙烯和1g N-甲基吡咯烷酮加入到搅拌釜中搅拌均匀形成电容浆料,然后将电容浆料涂覆到聚丙烯隔膜的一面,然后将涂覆电容浆料的聚丙烯隔膜置于60℃真空干燥箱中干燥一晚上得涂覆电容层聚丙烯隔膜。
最后将制得的正极极片为电池极片,涂覆电容层聚丙烯隔膜为隔膜,隔膜的电容层在金属锂一侧装配成纽扣电池测试性能。
实施例3
在搅拌釜中加入8g磷酸铁锂、1g SP导电炭黑、1g聚偏二氟乙烯和10g N-甲基吡咯烷酮,搅拌均匀获得浆料,然后将浆料涂覆到铝箔上,最后将涂覆浆料的铝箔置于80℃真空干燥箱中干燥一晚上得正极极片。
将0.9g介孔石墨烯、0.1g聚偏二氟乙烯和1gN-甲基吡咯烷酮加入到搅拌釜中搅拌均匀形成电容浆料,然后将电容浆料涂覆到聚丙烯隔膜的两面,然后将涂覆电容浆料的聚丙烯隔膜置于60℃真空干燥箱中干燥一晚上得涂覆电容层聚丙烯隔膜。
最后将制得的正极极片为电池极片,涂覆电容层聚丙烯隔膜为隔膜装配成纽扣电池测试性能。
实施例4
在搅拌釜中加入8g升华硫、1g SP导电炭黑、1g聚偏二氟乙烯和10g N-甲基吡咯烷酮,搅拌均匀获得浆料,然后将浆料涂覆到铝箔上,最后将涂覆浆料的铝箔置于80℃真空干燥箱中干燥一晚上得正极极片。
将0.9g介孔石墨烯、0.1g聚偏二氟乙烯和1gN-甲基吡咯烷酮加入到搅拌釜中搅拌均匀形成电容浆料,然后将电容浆料涂覆到聚丙烯隔膜的一面,然后将涂覆电容浆料的聚丙烯隔膜置于60℃真空干燥箱中干燥一晚上得涂覆电容层聚丙烯隔膜。
最后将制得的正极极片为电池极片,涂覆电容层聚丙烯隔膜为隔膜,隔膜的电容层在正极一侧装配成纽扣电池测试性能。
对比例1
在搅拌釜中加入8g磷酸铁锂、1g SP导电炭黑、1g聚偏二氟乙烯和10g N-甲基吡咯烷酮,搅拌均匀获得浆料,然后将浆料涂覆到铝箔上,最后将涂覆浆料的铝箔置于80℃真空干燥箱中干燥一晚上得正极极片。
将制得的正极极片为电池极片,聚丙烯隔膜为隔膜装配成纽扣电池测试性能。
对比例1与实施例1的区别在于,对比例1中采用聚丙烯隔膜作为隔膜,而实施例1则是采用涂覆电容层聚丙烯隔膜作为隔膜。
对比例2
在搅拌釜中加入8g磷酸铁锂、1g SP导电炭黑、1g聚偏二氟乙烯和10g N-甲基吡咯烷酮,搅拌均匀获得浆料,然后将浆料涂覆到铝箔上,最后将涂覆浆料的铝箔置于80℃真空干燥箱中干燥一晚上得正极极片。
将0.9g碳纳米管、0.1g聚偏二氟乙烯和1gN-甲基吡咯烷酮加入到搅拌釜中搅拌均匀形成浆料,然后将浆料涂覆到聚丙烯隔膜的一面,然后将涂覆浆料的聚丙烯隔膜置于60℃真空干燥箱中干燥一晚上得涂覆碳纳米管聚丙烯隔膜。
最后将制得的正极极片为电池极片,涂覆碳纳米管聚丙烯隔膜为隔膜,隔膜的碳纳米管在正极一侧装配成纽扣电池测试性能。
对比例2与实施例1的区别在于,对比例2中采用碳纳米管作为隔膜的涂覆碳材料,而实施例1则是采用介孔石墨烯作为隔膜的涂覆碳材料。
对比例3
在搅拌釜中加入8g磷酸铁锂、1g SP导电炭黑、1g聚偏二氟乙烯和10g N-甲基吡咯烷酮,搅拌均匀获得浆料,然后将浆料涂覆到铝箔上,最后将涂覆浆料的铝箔置于80℃真空干燥箱中干燥一晚上得正极极片。
将0.9g SP导电炭黑、0.1g聚偏二氟乙烯和1g N-甲基吡咯烷酮加入到搅拌釜中搅拌均匀形成浆料,然后将浆料涂覆到聚丙烯隔膜的一面,然后将涂覆浆料的聚丙烯隔膜置于60℃真空干燥箱中干燥一晚上得涂覆SP导电炭黑聚丙烯隔膜。
最后将制得的正极极片为电池极片,涂覆SP导电炭黑聚丙烯隔膜为隔膜,隔膜的SP导电炭黑在正极一侧装配成纽扣电池测试性能。
对比例3与实施例1的区别在于,对比例3中采用SP导电炭黑作为隔膜的涂覆碳材料,而实施例1则是采用介孔石墨烯作为隔膜的涂覆碳材料。
对比例4
在搅拌釜中加入8g磷酸铁锂、1g SP导电炭黑、1g聚偏二氟乙烯和10g N-甲基吡咯烷酮,搅拌均匀获得浆料,然后将浆料涂覆到铝箔上,最后将涂覆浆料的铝箔置于80℃真空干燥箱中干燥一晚上得正极极片。
将0.9g乙炔黑、0.1g聚偏二氟乙烯和1gN-甲基吡咯烷酮加入到搅拌釜中搅拌均匀形成浆料,然后将浆料涂覆到聚丙烯隔膜的一面,然后将涂覆浆料的聚丙烯隔膜置于60℃真空干燥箱中干燥一晚上得涂覆乙炔黑聚丙烯隔膜。最后将制得的正极极片为电池极片,涂覆乙炔黑聚丙烯隔膜为隔膜,隔膜的乙炔黑在正极一侧装配成纽扣电池测试性能。
对比例4与实施例1的区别在于,对比例4中采用乙炔黑作为隔膜的涂覆碳材料,而实施例1则是采用介孔石墨烯作为隔膜的涂覆碳材料。
对比例5
在搅拌釜中加入8g磷酸铁锂、1g SP导电炭黑、1g聚偏二氟乙烯和10g N-甲基吡咯烷酮,搅拌均匀获得浆料,然后将浆料涂覆到铝箔上,最后将涂覆浆料的铝箔置于80℃真空干燥箱中干燥一晚上得正极极片。
将0.9g石墨烯、0.1g聚偏二氟乙烯和1gN-甲基吡咯烷酮加入到搅拌釜中搅拌均匀形成浆料,然后将浆料涂覆到聚丙烯隔膜的一面,然后将涂覆浆料的聚丙烯隔膜置于60℃真空干燥箱中干燥一晚上得涂覆石墨烯聚丙烯隔膜。
最后将制得的正极极片为电池极片,涂覆石墨烯聚丙烯隔膜为隔膜,隔膜的石墨烯在正极一侧装配成纽扣电池测试性能。
对比例5与实施例1的区别在于,对比例5中采用石墨烯作为隔膜的涂覆碳材料,而实施例1则是采用介孔石墨烯作为隔膜的涂覆碳材料。
对比例6
在搅拌釜中加入8g升华硫、1g SP导电炭黑、1g聚偏二氟乙烯和10g N-甲基吡咯烷酮,搅拌均匀获得浆料,然后将浆料涂覆到铝箔上,最后将涂覆浆料的铝箔置于80℃真空干燥箱中干燥一晚上得正极极片。最后将制得的正极极片为电池极片装配成纽扣电池测试性能。
对比例6与实施例4的区别在于,对比例6中采用聚丙烯隔膜作为隔膜,而实施例4则是采用涂覆电容层聚丙烯隔膜作为隔膜。
对比例7
在搅拌釜中加入8g升华硫、1g SP导电炭黑、1g聚偏二氟乙烯和10g N-甲基吡咯烷酮,搅拌均匀获得浆料,然后将浆料涂覆到铝箔上,最后将涂覆浆料的铝箔置于80℃真空干燥箱中干燥一晚上得正极极片。
将0.9g碳纳米管、0.1g聚偏二氟乙烯和1gN-甲基吡咯烷酮加入到搅拌釜中搅拌均匀形成浆料,然后将浆料涂覆到聚丙烯隔膜的一面,然后将涂覆浆料的聚丙烯隔膜置于60℃真空干燥箱中干燥一晚上得涂覆碳纳米管聚丙烯隔膜。
最后将制得的正极极片为电池极片,涂覆碳纳米管聚丙烯隔膜为隔膜,隔膜的碳纳米管在正极一侧装配成纽扣电池测试性能。
对比例7与实施例4的区别在于,对比例7中采用碳纳米管作为隔膜的涂覆碳材料,而实施例4则是采用介孔石墨烯作为隔膜的涂覆碳材料。
对比例8
在搅拌釜中加入8g升华硫、1g SP导电炭黑、1g聚偏二氟乙烯和10g N-甲基吡咯烷酮,搅拌均匀获得浆料,然后将浆料涂覆到铝箔上,最后将涂覆浆料的铝箔置于80℃真空干燥箱中干燥一晚上得正极极片。
将0.9g SP导电炭黑、0.1g聚偏二氟乙烯和1g N-甲基吡咯烷酮加入到搅拌釜中搅拌均匀形成浆料,然后将浆料涂覆到聚丙烯隔膜的一面,然后将涂覆浆料的聚丙烯隔膜置于60℃真空干燥箱中干燥一晚上得涂覆SP导电炭黑聚丙烯隔膜。
最后将制得的正极极片为电池极片,涂覆SP导电炭黑聚丙烯隔膜为隔膜,隔膜的SP导电炭黑在正极一侧装配成纽扣电池测试性能。
对比例8与实施例4的区别在于,对比例8中采用SP导电炭黑作为隔膜的涂覆碳材料,而实施例4则是采用介孔石墨烯作为隔膜的涂覆碳材料。
对比例9
在搅拌釜中加入8g升华硫、1g SP导电炭黑、1g聚偏二氟乙烯和10g N-甲基吡咯烷酮,搅拌均匀获得浆料,然后将浆料涂覆到铝箔上,最后将涂覆浆料的铝箔置于80℃真空干燥箱中干燥一晚上得正极极片。
将0.9g乙炔黑、0.1g聚偏二氟乙烯和1gN-甲基吡咯烷酮加入到搅拌釜中搅拌均匀形成浆料,然后将浆料涂覆到聚丙烯隔膜的一面,然后将涂覆浆料的聚丙烯隔膜置于60℃真空干燥箱中干燥一晚上得涂覆乙炔黑聚丙烯隔膜。
最后将制得的正极极片为电池极片,涂覆乙炔黑聚丙烯隔膜为隔膜,隔膜的乙炔黑在正极一侧装配成纽扣电池测试性能。
对比例9与实施例4的区别在于,对比例9中采用乙炔黑作为隔膜的涂覆碳材料,而实施例4则是采用介孔石墨烯作为隔膜的涂覆碳材料。
对比例10
在搅拌釜中加入8g升华硫、1g SP导电炭黑、1g聚偏二氟乙烯和10g N-甲基吡咯烷酮,搅拌均匀获得浆料,然后将浆料涂覆到铝箔上,最后将涂覆浆料的铝箔置于80℃真空干燥箱中干燥一晚上得正极极片。
将0.9g石墨烯、0.1g聚偏二氟乙烯和1gN-甲基吡咯烷酮加入到搅拌釜中搅拌均匀形成浆料,然后将浆料涂覆到聚丙烯隔膜的一面,然后将涂覆浆料的聚丙烯隔膜置于60℃真空干燥箱中干燥一晚上得涂覆石墨烯聚丙烯隔膜。
最后将制得的正极极片为电池极片,涂覆石墨烯聚丙烯隔膜为隔膜,隔膜的石墨烯在正极一侧装配成纽扣电池测试性能。
对比例10与实施例4的区别在于,对比例10中采用石墨烯作为隔膜的涂覆碳材料,而实施例4则是采用介孔石墨烯作为隔膜的涂覆碳材料。
分别以实施例1~3以及对比例1~5制备得到的隔膜装配成磷酸铁锂纽扣电池,并测试磷酸铁锂纽扣电池在1C电流密度下循环1000圈后放电比容量(mAh/g),测试结果见表1。
表1
由表1实验数据可以看出,采用实施例1~3制备得到的涂覆介孔石墨烯聚丙烯隔膜作为隔膜装配的磷酸铁锂纽扣电池在1C电流密度下循环1000圈后放电比容量大于220mAh/g,远远高于对比例1以聚丙烯隔膜作为隔膜装配得到的磷酸铁锂纽扣电池。这说明:采用本发明所述方法制备得到的涂覆电容层聚丙烯隔膜作为隔膜,可以大幅提高电池的比容量,主要由于电容层产生的赝电容效应(磷酸铁锂的理论容量为170mAh/g)。并且,聚丙烯隔膜两面涂覆电容层的比容量比聚丙烯隔膜一面涂覆电容层的高。
由表1实验数据还可以看出,以实施例1涂覆介孔石墨烯聚丙烯隔膜作为隔膜的磷酸铁锂纽扣电池的放电比容量要显著高于对比例1~5采用的隔膜。这说明:本发明涂覆的碳材料选择十分重要,只有采用本发明电容炭材料作为涂覆碳材料得到的隔膜才可以显著提高电池的比容量,才能产生赝电容效应。
尤其是,实施例1和对比例5的数据对比发现,介孔石墨烯作为隔膜涂覆材料,磷酸铁锂纽扣电池在1C电流密度下循环1000圈后放电比容量高达221mAh/g,而石墨烯作为隔膜涂覆材料,磷酸铁锂纽扣电池在1C电流密度下循环1000圈后放电比容量仅为126mAh/g。这说明,相比于石墨烯,只有采用介孔石墨烯作为隔膜涂覆材料才可以产生赝电容效应,隔膜表面的涂覆层才可以形成赝电容层。
分别以实施例4以及对比例6~10制备得到隔膜装配成锂硫纽扣电池,并测试锂硫纽扣电池在0.1A/g电流密度下循环1000圈后放电比容量(mAh/g),测试结果见表2。
表2
由表2实验数据可以看出,采用实施例4制备得到的涂覆介孔石墨烯聚丙烯隔膜作为隔膜装配的锂硫纽扣电池在0.1A/g电流密度下循环1000圈后放电比容量为1782mAh/g,远远高于对比例6以聚丙烯隔膜作为隔膜装配得到的锂硫纽扣电池。这说明:采用本发明所述方法制备得到的涂覆电容层聚丙烯隔膜作为隔膜,可以大幅提高电池的比容量,主要由于电容层产生的赝电容效应(锂硫电池的理论容量为1675mAh/g)。
由表2实验数据还可以看出,以实施例4涂覆介孔石墨烯聚丙烯隔膜作为隔膜的锂硫纽扣电池的放电比容量要显著高于对比例6~10采用的隔膜。这说明:本发明涂覆的碳材料选择十分重要,只有采用本发明电容炭材料作为涂覆碳材料得到的隔膜才可以显著提高电池的比容量,才能产生赝电容效应。
尤其是,实施例4和对比例10的数据对比发现,介孔石墨烯作为隔膜涂覆材料,锂硫纽扣电池在0.1A/g电流密度下循环1000圈后放电比容量高达1782mAh/g,而石墨烯作为隔膜涂覆材料,锂硫纽扣电池在0.1A/g电流密度下循环1000圈后放电比容量仅为821mAh/g。这说明,相比于石墨烯,只有采用介孔石墨烯作为隔膜涂覆材料才可以产生赝电容效应,隔膜表面的涂覆层才可以形成赝电容层。
Claims (10)
1.一种电池隔膜,其特征在于,所述的电池隔膜的表面涂覆有电容层。
2.根据权利要求1所述的电池隔膜,其特征在于,所述的电容层中的炭材料选自介孔石墨烯、介孔碳以及电容炭中的一种或者二种以上的混合。
3.根据权利要求1所述的电池隔膜的,其特征在于,所述的电池为锂离子电池或钠离子电池或石墨电池。
4.根据权利要求1所述的电池隔膜的制备方法,其特征在于,包含如下步骤:
将炭材料、粘结剂和溶剂混合均匀得到电容浆料;
将电容浆料涂覆到电池隔膜表面,干燥后得表面涂覆有电容层的电池隔膜,即本发明所述的电池隔膜。
5.根据权利要求4所述的电池隔膜的制备方法,其特征在于,所述的炭材料选自介孔石墨烯、介孔碳以及电容炭中的一种或者二种以上的混合。
6.根据权利要求4所述的电池隔膜的制备方法,其特征在于,所述的隔膜为聚乙烯隔膜、聚丙烯隔膜或玻璃纤维隔膜。
7.根据权利要求6所述的电池隔膜的制备方法,其特征在于,所述的隔膜为含有陶瓷涂层的聚乙烯隔膜、含有陶瓷涂层的聚丙烯隔膜。
8.根据权利要求1所述的电池隔膜的制备方法,其特征在于,炭材料、粘结剂和溶剂的重量比为0.85~0.95:0.05~0.15:1;
最优选地,炭材料、粘结剂和溶剂的重量比为0.9:0.1:1。
9.根据权利要求1所述的电池隔膜的制备方法,其特征在于,所述的粘结剂选自聚乙烯醇、聚四氟乙烯、羧甲基纤维素钠、聚偏二氟乙烯、丁苯橡胶、聚丙烯酸以及聚丙烯腈中的一种或者二种以上的混合。
10.根据权利要求1所述的电池隔膜的制备方法,其特征在于,所述的溶剂选自水、N-甲基吡咯烷酮以及乙醇中的一种或者二种以上的混合。
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CN105261721A (zh) * | 2015-08-28 | 2016-01-20 | 清华大学 | 一种不对称隔膜及在锂硫二次电池中的应用 |
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WO2023087213A1 (zh) * | 2021-11-18 | 2023-05-25 | 宁德时代新能源科技股份有限公司 | 一种电池包及其用电装置 |
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