CN117096551A - 电芯隔膜及其制备方法、应用、电芯、电芯级联结构 - Google Patents

电芯隔膜及其制备方法、应用、电芯、电芯级联结构 Download PDF

Info

Publication number
CN117096551A
CN117096551A CN202310860898.9A CN202310860898A CN117096551A CN 117096551 A CN117096551 A CN 117096551A CN 202310860898 A CN202310860898 A CN 202310860898A CN 117096551 A CN117096551 A CN 117096551A
Authority
CN
China
Prior art keywords
aluminum nitride
battery cell
coating
battery
diaphragm
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202310860898.9A
Other languages
English (en)
Inventor
金则兵
陈春辉
门方
谢普
刘文强
周磊
田志松
王鹏
赵福成
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Zhejiang Geely Holding Group Co Ltd
Zhejiang Geely Power Train Co Ltd
Original Assignee
Zhejiang Geely Holding Group Co Ltd
Zhejiang Geely Power Train Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Zhejiang Geely Holding Group Co Ltd, Zhejiang Geely Power Train Co Ltd filed Critical Zhejiang Geely Holding Group Co Ltd
Priority to CN202310860898.9A priority Critical patent/CN117096551A/zh
Publication of CN117096551A publication Critical patent/CN117096551A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40—Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/409—Separators, membranes or diaphragms characterised by the material
    • H01M50/449—Separators, membranes or diaphragms characterised by the material having a layered structure
    • H01M50/457—Separators, membranes or diaphragms characterised by the material having a layered structure comprising three or more layers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B3/00—Insulators or insulating bodies characterised by the insulating materials; Selection of materials for their insulating or dielectric properties
    • H01B3/02—Insulators or insulating bodies characterised by the insulating materials; Selection of materials for their insulating or dielectric properties mainly consisting of inorganic substances
    • H01B3/12—Insulators or insulating bodies characterised by the insulating materials; Selection of materials for their insulating or dielectric properties mainly consisting of inorganic substances ceramics
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052—Li-accumulators
    • H01M10/0525—Rocking-chair batteries, i.e. batteries with lithium insertion or intercalation in both electrodes; Lithium-ion batteries
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/058—Construction or manufacture
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/61—Types of temperature control
    • H01M10/613—Cooling or keeping cold
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/65—Means for temperature control structurally associated with the cells
    • H01M10/653—Means for temperature control structurally associated with the cells characterised by electrically insulating or thermally conductive materials
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/65—Means for temperature control structurally associated with the cells
    • H01M10/654—Means for temperature control structurally associated with the cells located inside the innermost case of the cells, e.g. mandrels, electrodes or electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40—Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/403—Manufacturing processes of separators, membranes or diaphragms
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40—Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/409—Separators, membranes or diaphragms characterised by the material
    • H01M50/431—Inorganic material
    • H01M50/434—Ceramics
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40—Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/46—Separators, membranes or diaphragms characterised by their combination with electrodes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Cell Separators (AREA)

Abstract

本发明提供一种电芯隔膜及其制备方法、应用、电芯、电芯级联结构，属于电池技术领域，电芯隔膜包括隔膜基体和涂覆于所述隔膜基体其中一侧或两侧表面的氮化铝涂层；所述氮化铝涂层包括底层和表层，所述底层涂覆于所述隔膜基体的表面，所述表层位于所述底层远离所述隔膜基体的一侧，且所述底层中氮化铝的粒径大于所述表层中氮化铝的粒径。本发明通过在隔膜基体上设置氮化铝涂层形成电芯隔膜，能够降低电池界面阻抗，提升电池循环寿命；由于氮化铝的热膨胀系数低、高温稳定性和绝缘性好，能够显著降低热失控的风险；通过氮化铝涂层包括底层和表层，同时实现了高保液性和高氧气捕捉能力，显著提高了电池的循环性能和安全性。

Description

电芯隔膜及其制备方法、应用、电芯、电芯级联结构
技术领域
本发明涉及电池技术领域，具体而言，涉及一种电芯隔膜及其制备方法、应用、电芯、电芯级联结构。
背景技术
为了改善锂电池的安全性，目前通常采用在隔膜表面涂覆涂层的方式。现有技术中，涂层隔膜产品主要包括陶瓷涂覆隔膜、树脂涂覆隔膜、纳米树脂涂覆隔膜和水性PVDF涂覆隔膜。其中，陶瓷涂覆隔膜所用材料一般为Al2O3，树脂涂覆隔膜所用材料一般为芳纶等聚合物树脂，纳米树脂涂覆材料所用材料一般为纳米球形聚合树脂，水性PVDF涂覆隔膜一般采用PVDF和Al2O3混合涂覆。由于陶瓷涂覆隔膜具有热稳定性好、安全性高的特点，应用日益广泛。
随着硅基负极电池的应用，在能量密度提高的同时，硅基负极膨胀较大，是石墨负极的三倍，导致了硅基负极容易粉化、脱落，从而引起电池循环寿命较短的问题。现有技术中，针对硅基负极引起问题，主要是采用纳米硅和带胶陶瓷隔膜。但是纳米硅比表面积大，存在副反应多、界面阻抗大等问题。带胶陶瓷隔膜与硅基负极粘结后，虽然能够保持一定跟随性，缓解界面阻抗大的问题，但是目前带胶陶瓷隔膜中Al2O3涂层的线性膨胀率和硅基负极并不一致，当处于恶劣环境中，电池热管理不工作，线膨胀系数的不一致会带来较大的内应力应变，进而导致较大的阻抗，影响电池的循环寿命。
发明内容
本发明解决的问题是如何提供一种能够减少负极与隔膜间内应力，降低电池界面阻抗，提升电池循环寿命的电芯隔膜。
为解决上述问题，本发明提供一种电芯隔膜，包括隔膜基体和涂覆于所述隔膜基体其中一侧或两侧表面的氮化铝涂层；所述氮化铝涂层包括底层和表层，所述底层涂覆于所述隔膜基体的表面，所述表层位于所述底层远离所述隔膜基体的一侧，且所述底层中氮化铝的粒径大于所述表层中氮化铝的粒径。
可选地，所述底层中所述氮化铝的粒径为150-350nm，所述表层中所述氮化铝的粒径为50-250nm。
可选地，所述电芯隔膜还包括涂胶层，所述涂胶层涂覆于所述氮化铝涂层和/或所述隔膜基体的未被涂覆的表面。
可选地，所述涂胶层包括涂胶区域和未涂胶区域，所述涂胶区域呈条形分布在所述氮化铝涂层和/或隔膜基体的表面，且多个所述涂胶区域间隔分布。
可选地，所述氮化铝涂层的厚度为2-3μm。
本发明通过在隔膜基体上设置氮化铝涂层形成电芯隔膜，氮化铝的导热系数高、禁带宽度大，能够形成快速导热、散热的通道，且氮化铝与石墨、硅、碳化硅等材料的热膨胀系数接近，将其应用于电芯，能够减少硅基负极与电芯隔膜之间的内应力和变形，降低电池界面阻抗，提升电池循环寿命；此外，在中高温且有氧的条件下，氮化铝与氧气的亲和力极强，能够消耗氧气并生成氮气，既能贫氧，又能形成氮气保护层进一步隔绝氧气，且由于氮化铝的热膨胀系数低、高温稳定性和绝缘性好，能够显著降低热失控的风险，氮化铝的密度较低，具有更高的能量密度潜力；氮化铝涂层包括底层和表层，分别采用不同粒径的氮化铝，由于底层采用较大粒径的氮化铝，具有较高的孔隙率，而表层采用了较小粒径的氮化铝，具有较高的比表面积，通过底层和表层的配合，同时实现了高保液性和高氧气捕捉能力，显著提高了电池的循环性能和安全性。
本发明还提供了一种电芯隔膜的制备方法，用于制备如上所述的电芯隔膜，包括以下步骤：
步骤S1、将黏结剂分散于有机溶剂中，得到黏结剂溶液；
步骤S2、将第一氮化铝粉末加入所述黏结剂溶液中，搅拌混合，得到第一氮化铝溶液；
步骤S3、将第二氮化铝粉末加入所述黏结剂溶液中，搅拌混合，得到第二氮化铝溶液，其中，第一氮化铝粉末中氮化铝的粒径大于所述第二氮化铝粉末中氮化铝的粒径；
步骤S4、将所述第一氮化铝溶液涂覆于隔膜基体的其中一侧或两侧表面，烘干后形成底层；
步骤S5、将所述第二氮化铝溶液涂覆于所述底层表面，烘干后形成表层，得到电芯隔膜。
可选地，所述第一氮化铝溶液中所述第一氮化铝粉末的质量分数为20-50％，所述第二氮化铝溶液中所述第二氮化铝粉末的质量分数为20-50％。
本发明提供的电芯隔膜的制备方法相对于现有技术的有益效果，与电芯隔膜相同，在此不再赘述。
本发明还提供一种电芯，包括如上所述的电芯隔膜、正极和负极，所述正极和所述负极分别位于所述电芯隔膜的两侧，且所述电芯隔膜至少在与所述负极靠近的一侧具有氮化铝涂层。
本发明提供的电芯相对于现有技术的有益效果，与电芯隔膜相同，在此不再赘述。
本发明还提供一种电芯级联结构，由至少两组如上所述的电芯串联而成，且相邻两组所述电芯之间采用如上所述的电芯隔膜隔开。
本发明提供级联电芯由多组电芯串联形成，相邻两组电芯之间采用上述电芯隔膜隔开，整体上形成了“负极-电芯隔膜-正极-电芯隔膜-负极-电芯隔膜-正极”的串联结构，由于电芯隔膜中含有氮化铝涂层，氮化铝的机械性能较好，且具有高绝缘性，能够作为固定件，该级联电芯属于无模组设计，电芯级联后能够显著提高能量密度；此外，氮化铝涂层的导热系数较高，能够快速热疏通，且发生热失控时，由于氮化铝对氧亲和力极强，并与氧气反应生成Al2O3和氮气，一方面，Al2O3的导热系数较低，对周边环境起到隔热作用，另一方面，产生的氮气对失效区域隔绝氧气，形成氮气保护层，同时由于反应为吸热反应，显著降低了热失控的风险。
本发明还提供如上所述的电芯隔膜在降低电池热失控风险中的应用。
本发明通过将上述电芯隔膜应用于电池，电芯隔膜中氮化铝涂层在电池处于正常工况时，由于氮化铝涂层热导率高，并具有良好的绝缘能力，能够起到良好的导热和绝缘作用，当电池处于异常工况时，若温度不高，可以利用氮化铝涂层的高导热性将局部热量均匀分散，而氮化铝涂层的高稳定性则能够避免电芯隔膜收缩变形，防止短路，若电池局部区域发生破损，温度较高时，氮化铝涂层中氮化铝与氧气亲和力极强，能够消耗氧气，同时氮化铝与氧气反应生成氮气和Al2O3，生成氮气能够对其它区域进行保护，生成的Al2O3则具有良好的绝缘作用，防止破损区域短路，并且由于氮化铝与氧气的反应为吸热反应，进一步避免了热量骤集，显著减低了热失控升级的风险。
附图说明
图1为本发明实施例中电芯隔膜的结构示意图一；
图2为本发明实施例中电芯隔膜中局部放大结构示意图；
图3为本发明实施例中电芯隔膜的结构示意图二；
图4为现有技术和本发明实施例中涂胶层的结构示意图；
图5为本发明实施例中电芯隔膜的制备方法的流程示意图；
图6为本发明实施例中电芯的结构示意图；
图7为本发明实施例中电芯在热失控时的工作示意图；
图8为本发明实施例中氮化铝样品的示差扫描量热法DSC测试结果图。
附图标记：
1、隔膜基体；2、氮化铝涂层；21、底层；22、表层；3、涂胶层；31、涂胶区域；41、正极活性材料；42、正极集流体；51、负极活性材料；52、负极集流体；6、异常起源区域。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面对本发明的具体实施例做详细的说明。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例中的特征可以相互组合。术语“包含”、“包括”、“含有”、“具有”的含义是非限制性的，即可加入不影响结果的其它步骤和其它成分。以上术语涵盖术语“由……组成”和“基本上由……组成”。如无特殊说明的，材料、设备、试剂均为市售。
如图1和图2所示，本发明实施例提供一种电芯隔膜，包括隔膜基体1和涂覆于所述隔膜基体1其中一侧或两侧表面的氮化铝涂层2；所述氮化铝涂层2包括底层21和表层22，所述底层21涂覆于所述隔膜基体1的表面，所述表层22位于所述底层21远离所述隔膜基体1的一侧，且所述底层21中氮化铝的粒径大于所述表层22中氮化铝的粒径。
如图1所示，氮化铝涂层2可以位于隔膜基体1的其中一侧表面，也可以位于隔膜基体1的两侧表面，其中，图1中(A)为氮化铝涂层2位于隔膜基体1其中一侧表面时的结构示意图，而图1中(B)为隔膜基体1两侧表面均具有氮化铝涂层2时的结构示意图。
图2为电芯隔膜的局部放大示意图，如图2所示，隔膜基体1表面涂覆的氮化铝涂层2包括底层21和表层22，底层21涂覆于隔膜基体1的表面，表层22则涂覆于底层21远离隔膜基体1的一侧，底层21和表层22均采用氮化铝材料，但底层21中氮化铝的粒径大于表层22中氮化铝的粒径。
氮化铝(AlN)是一种既能兼顾Al2O3材料优点又能降低线膨胀系数的陶瓷材料，氮化铝具有与硅相近的热膨胀系数，将其应用与电芯隔膜涂层中，能够降低界面阻抗，提升电池循环寿命；相对于Al2O3具有更高的热导率，当电池处于异常情况时，氮化铝涂层2能够将危险源的热量均匀化并散发出去，避免危险升级；氮化铝在600-1300℃时，对氧气的亲和力极强，并与氧气在高温下反应生成Al2O3和氮气，Al2O3的导热系数相对较低，对周边环境具有隔热作用，反应消耗氧气并生成了氮气，对失效区域隔绝氧气且形成了氮气保护层，同时该反应是吸热反应，能够显著降低电池热失控的风险。
除此之外，氮化铝涂层2包括底层21和表层22，且底层21中氮化铝的粒径大于表层22中氮化铝的粒径，底层21具有较高的孔隙率，而表层22具有较高的比表面积，使氮化铝涂层2具有较高的保液性和氧气捕捉效果，能够提高电池的循环性能和安全性。
示例性地，所述底层21中所述氮化铝的粒径为150-350nm，所述表层22中所述氮化铝的粒径为50-250nm，且底层21中氮化铝的粒径大于表层22中氮化铝的粒径。
在一个实施例中，如图3所示，所述电芯隔膜还包括涂胶层3，所述涂胶层3涂覆于所述氮化铝涂层2和/或所述隔膜基体1的未被涂覆的表面。
设置涂胶层3能够增加电芯隔膜的吸液量，改善电池的循环性能，并降低电芯隔膜的热收缩，改善电池的安全性能，如图3所示，本发明实施例中根据氮化铝涂层2的涂覆方式，涂胶层3的涂覆方式，能够得到不同结构的电芯隔膜。图3中(A)为单侧设置氮化铝涂层2，没有涂胶层3时的结构示意图，图3中(B)为单侧设置氮化铝涂层2，另一侧设置涂胶层3时的结构示意图，图3中(C)为双侧设置氮化铝涂层2时的结构示意图，图3中(D)为单侧设置氮化铝涂层2，并在同侧设置涂胶层3时的结构示意图，图3中(E)为双侧设置氮化铝涂层2，并在其中一侧设置涂胶层3时的结构示意图，图3中(F)为单侧设置氮化铝涂层2，并在双侧设置涂胶层3时的结构示意图，图3中(G)为双侧设置氮化铝涂层2，并在双侧设置涂胶层3时的结构示意图。不同的氮化铝涂层2和涂胶层3设置方式能够使电芯隔膜适用于不同的场景。
在一个实施例中，所述涂胶层3包括涂胶区域31和未涂胶区域，所述涂胶区域31呈条形分布在所述氮化铝涂层2和/或隔膜基体1的表面，且多个所述涂胶区域31间隔分布。
也就是说，本发明实施例中涂胶层3的涂覆方式不同于现有技术中整面涂覆的方式，涂胶层3中包括涂胶区域31和未涂胶区域，仅对部分区域进行涂胶，相对于现有技术中整面涂胶的方式，本发明实施例在保证电芯隔膜能够与正极或负极粘结的同时，减少了胶的用量，节省了生产成本，并且由于涂覆面积较小，能够降低电池的阻抗，进而提升电池容量并减少电池能量损耗。
示例性地，如图4所示，以直接在隔膜基体1上设置涂胶层3为例，对本发明实施例的涂胶层3中涂胶区域31的分布形式进行介绍，其中，图4中(A)为未涂胶的隔膜基体1，图4中(B)为现有技术中涂胶层3的分布形式，即，对隔膜基体1进行整面涂胶，图4中(C)-(G)为本发明实施例中的涂胶层3设置方式，涂胶区域31呈条形分布在隔膜基体1表面，条形的涂胶区域31可以是连续的，也可以是间断的，可以分布于隔膜基体1的两侧，也可以分布于隔膜基体1的两侧和中间。
采用本发明实施例的涂覆方式，在具有上述优势的同时，也适用于现有的涂胶生产线，现有技术中涂胶采用喷涂形式，当隔膜基体1通过喷头时，喷头会将胶均匀喷在隔膜基体1表面，而采用本发明实施例的涂胶方式时，仅需要简单的调整喷头喷涂的宽度，以及控制喷涂为连续或中断即可实现，不需要对工艺进行较大的改进。
示例性地，涂胶层3中胶为PVDF(聚偏二氟乙烯)。
在一个实施例中，所述氮化铝涂层2的厚度为2-3μm。当氮化铝涂层2的厚度为2-3μm时，既能够良好的导热作用，起到降低热失控风险的作用，又能降低界面阻抗，保证循环性能。
示例性地，本发明实施例中所述隔膜基体1的材质为PP、PE和PET中的任意一种或多种。
本发明的另一实施例提供了一种电芯隔膜的制备方法，用于制备如上所述的电芯隔膜，如图5所示，包括以下步骤：
步骤S1、将黏结剂分散于有机溶剂中，得到黏结剂溶液；
步骤S2、将第一氮化铝粉末加入所述黏结剂溶液中，搅拌混合，得到第一氮化铝溶液；
步骤S3、将第二氮化铝粉末加入所述黏结剂溶液中，搅拌混合，得到第二氮化铝溶液，其中，所述第一氮化铝粉末中氮化铝的粒径大于所述第二氮化铝粉末中氮化铝的粒径；
步骤S4、将所述第一氮化铝溶液涂覆于隔膜基体1的其中一侧或两侧表面，烘干后形成底层21；
步骤S5、将所述第二氮化铝溶液涂覆于所述底层21表面，烘干后形成表层22，得到电芯隔膜。
本发明实施例提供的电芯隔膜的制备方法相对于现有技术的有益效果，与电芯隔膜相同，在此不再赘述。
在一个实施例中，所述第一氮化铝溶液中所述第一氮化铝粉末的质量分数为20-50％，所述第二氮化铝溶液中所述第二氮化铝粉末的质量分数为20-50％。
在一个实施例中，所述步骤S1中，所述黏结剂包括聚偏二氟乙烯(PVDF)和聚四氟乙烯(PTFE)中的至少一种，所述黏结剂溶液中所述黏结剂的含量为0.1-5wt％。
示例性地，步骤S1中有机溶剂可以是NMP(N-甲基吡咯烷酮)。
本发明实施例还提供一种电芯，包括如上所述的电芯隔膜、正极和负极，所述正极和所述负极分别位于所述电芯隔膜的两侧，且所述电芯隔膜至少在与所述负极靠近的一侧具有氮化铝涂层2。
也就是说，电芯的结构为“正极-电芯隔膜-负极”，由于电芯隔膜的其中一侧或者两侧具有氮化铝涂层2，当只有电芯隔膜的其中一侧具有氮化铝涂层2时，电芯隔膜中具有氮化铝涂层2的一侧靠近负极。
下面结合电芯的不同工况对电芯隔膜的工作情况进行说明：
在该实施例中，电芯的结构如图6所示，包括上述电芯隔膜，隔膜基体1的两侧均设置有氮化铝涂层2，正极和负极分别位于电芯隔膜的两侧，正极包括正极活性材料41和正极集流体42，负极包括负极活性材料51和负极集流体52。
在正常工况下：电池工作产生热量，电芯隔膜中氮化铝涂层2具有高导热性以及绝缘性能，将工作产生的热量快速散发出去，从而维持正常的工作温度；
在异常工况下：如图7所示，电池大量产生热量以及氧气，当温度较低时，氮化铝涂层2利用其高导热性和对氧气亲和力，实现快速散热，将局部热量均匀分散，当温度进一步升高时，氮化铝涂层2中氮化铝能够与氧气发生吸热反应，降低温度，消耗氧气并产生氮气对异常区域进行保护，而反应后的Al2O3则具有良好的绝缘作用，防止破损区域短路，从而将热失控控制在一定区域内，防止热失控风险的升级。其中，图7中，氮化铝涂层2中箭头表示热流通道，当处于异常工况时，异常起源区域6产生大量热量和氧气，热量一方面通过氮化铝涂层2中形成的热流通道快速散失，另一方面利用氮化铝在高温条件下与氧气发生的吸热反应抵消，并对异常起源区域6进行保护。
氮化铝在600-1300℃且有氧条件下，发生如下反应：
4AlN+3O2＝2Al2O3+2N2；
如果条件具备，该反应在100皮秒内即可完成，远超过了电池热失控的升温时间(热失控一般为每分钟几百度)，因此电芯隔膜中氮化铝涂层2的加入能显著降低热失控的风险。
现有技术中对三元锂离子动力电池热失控及蔓延特性进行了实验研究，得出以下结论：以电动汽车车用额定容量为42A·h的三元方壳锂离子电池单体和模组为研究对象，研究其在加热条件下单体的绝热热失控特性及成组后侧向加热热失控蔓延特性。结果表明，锂离子电池在发生热失控时，内部最高温度可达920℃，电池表面和内部最大温差达403℃；热失控首先在迎向热流的面触发，随后蔓延至整个电池；满电状态下的锂离子电池内部热失控蔓延时间介于8-12s；热失控蔓延过程中锂离子电池的温度特征与绝热热失控测试相比存在较大差异性；热失控喷发颗粒物中；模组中失控电池产生的总能量中用于自身加热和喷发损失的占90％左右，热失控释放总能量的10％足以触发热失控蔓延。当前商用锂离子电池的T1一般介于60-120℃之间，电池内部温度达到T2(242℃)时，电池发生热失控，此时电池内部的温升速率大于1℃·s-1，电池内部温度从242℃瞬间上升到T3(920℃)，电池内部材料发生高温氧化还原反应生成大量的可燃混合气体。
下面结合上述研究结论及场景，介绍本发明实施例中电芯隔膜应用于降低热失控风险时的情况：
以额定电压3.2伏，容量2安时，内阻35毫欧的磷酸铁锂电芯为例，其3C放电功率为3.2*6＝19.2瓦，正常工况下，电阻发热量6*6*35/1000＝1.26瓦，本发明实施例中电芯隔膜中氮化铝涂层2的散热能力较强，热量能够被及时带走，降低热量蓄积的风险，将温度控制在T1以下；
当电芯温度达到T2，即，电芯发生热失控时，电芯内部温度瞬间上升，散热性较好的氮化铝涂层2导走热量，从而大大降低温度继续上升风险；另外，即使温度继续上升，在未达到温度T3前，但超过600℃后，由于氮化铝有极强的氧气结合能力，此时氮化铝与氧气反应，消耗氧气释放氮起到保护作用，氮化铝反应时间(100ps)远远低于热失控蔓延时间(8～12s)，从时间上是可行的；当温度更高时，由于未发生反应的氮化铝耐高温性，可以保持结构稳定性，防止热失控发展；
热失控从起源到发展，这个过程，特别是T2升温到T3的过程中，先破损区域的氮化铝表面接触到氧气即发生反应，消耗氧气，并在该区域生成氮气保护气，防止进一步破损；如果破损区域足够大，此时氮化铝表面接触到氧气的机会也大，防止进一步破损能力也更强，而氮化铝与氧气发生反应生成氮气的反应也是吸热反应，也有助于防止热失控升级。
本发明实施例还提供一种电芯级联结构，所述电芯级联结构由至少两组如上所述的电芯串联而成，且相邻两组所述电芯之间采用如上所述的电芯隔膜隔开。
本发明实施例提供级联电芯由至少两组电芯串联形成，相邻两组电芯之间采用上述电芯隔膜隔开，整体上形成了“负极-电芯隔膜-正极-电芯隔膜-负极-电芯隔膜-正极”的串联结构，由于电芯隔膜中含有氮化铝涂层2，氮化铝涂层2的机械性能较好，且具有高绝缘性，能够作为固定件，该级联电芯属于无模组设计，电芯级联后能够显著提高能量密度；此外，氮化铝涂层2的导热系数较高，能够快速热疏通，且发生热失控时，由于氮化铝对氧亲和力极强，并与氧气反应生成Al2O3和氮气，一方面，Al2O3的导热系数较低，对周边环境起到隔热作用，另一方面，产生的氮气对失效区域隔绝氧气，形成氮气保护层，同时由于反应为吸热反应，显著降低了热失控的风险。
本发明另一实施例还提供如上所述的电芯隔膜在降低电池热失控风险中的应用。
本发明实施例通过将上述电芯隔膜应用于电池，电芯隔膜中氮化铝涂层2在电池处于正常工况时，由于氮化铝涂层2热导率高，并具有良好的绝缘能力，能够起到良好的导热和绝缘作用，当电池处于异常工况时，若温度不高，可以利用氮化铝涂层2的高导热性将局部热量均匀分散，而氮化铝涂层2的高稳定性则能够避免电芯隔膜收缩变形，防止短路，若电池局部区域发生破损，温度较高时，氮化铝涂层2中氮化铝与氧气亲和力极强，能够消耗氧气，同时氮化铝与氧气反应生成氮气和Al2O3，生成氮气能够对其它区域进行保护，生成的Al2O3则具有良好的绝缘作用，防止破损区域短路，并且由于氮化铝与氧气的反应为吸热反应，进一步避免了热量骤集，显著减低了热失控升级的风险。
对氮化铝样品(粒度为1微米，纯度大于99.9％)进行示差扫描量热法DSC测试，结果如图8所示。图8中上方曲线为氮化铝样品的重量变化趋势线，下方曲线为热量变化趋势线，从图8可以看出当温度为500-600℃时(即图8中虚线框区域)，氮化铝样品的重量先下降再上升，且热量逐渐下降，说明氮化铝开始发生吸热反应，也就是说氮化铝与氧气的吸热反应在500-600℃时即可触发，将氮化铝应用于电芯能够有效防止热失控风险。
虽然本发明披露如上，但本发明的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种电芯隔膜，其特征在于，包括隔膜基体(1)和涂覆于所述隔膜基体(1)其中一侧或两侧表面的氮化铝涂层(2)；所述氮化铝涂层(2)包括底层(21)和表层(22)，所述底层(21)涂覆于所述隔膜基体(1)的表面，所述表层(22)位于所述底层(21)远离所述隔膜基体(1)的一侧，且所述底层(21)中氮化铝的粒径大于所述表层(22)中氮化铝的粒径。
2.根据权利要求1所述的电芯隔膜，其特征在于，所述底层(21)中所述氮化铝的粒径为150-350nm，所述表层(22)中所述氮化铝的粒径为50-250nm。
3.根据权利要求1所述的电芯隔膜，其特征在于，还包括涂胶层(3)，所述涂胶层(3)涂覆于所述氮化铝涂层(2)和/或所述隔膜基体(1)的未被涂覆的表面。
4.根据权利要求3所述的电芯隔膜，其特征在于，所述涂胶层(3)包括涂胶区域(31)和未涂胶区域，所述涂胶区域(31)呈条形分布在所述氮化铝涂层(2)和/或所述隔膜基体(1)的表面，且多个所述涂胶区域(31)间隔分布。
5.根据权利要求1所述的电芯隔膜，其特征在于，所述氮化铝涂层(2)的厚度为2-3μm。
6.一种电芯隔膜的制备方法，用于制备如权利要求1-5任一项所述的电芯隔膜，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1、将黏结剂分散于有机溶剂中，得到黏结剂溶液；
步骤S2、将第一氮化铝粉末加入所述黏结剂溶液中，搅拌混合，得到第一氮化铝溶液；
步骤S3、将第二氮化铝粉末加入所述黏结剂溶液中，搅拌混合，得到第二氮化铝溶液，其中，所述第一氮化铝粉末中氮化铝的粒径大于所述第二氮化铝粉末中氮化铝的粒径；
步骤S4、将所述第一氮化铝溶液涂覆于隔膜基体(1)的其中一侧或两侧表面，烘干后形成底层(21)；
步骤S5、将所述第二氮化铝溶液涂覆于所述底层(21)表面，烘干后形成表层(22)，得到电芯隔膜。
7.根据权利要求6所述的电芯隔膜的制备方法，其特征在于，所述第一氮化铝溶液中所述第一氮化铝粉末的质量分数为20-50％，所述第二氮化铝溶液中所述第二氮化铝粉末的质量分数为20-50％。
8.一种电芯，其特征在于，包括如权利要求1-5任一项所述的电芯隔膜、正极和负极，所述正极和所述负极分别位于所述电芯隔膜的两侧，且所述电芯隔膜至少在与所述负极靠近的一侧具有氮化铝涂层(2)。
9.一种电芯级联结构，其特征在于，由至少两组如权利要求8所述的电芯串联而成，且相邻两组所述电芯之间采用如权利要求1-5任一项所述的电芯隔膜隔开。
10.如权利要求1-5任一项所述的电芯隔膜在降低电池热失控风险中的应用。
CN202310860898.9A 2023-07-13 2023-07-13 电芯隔膜及其制备方法、应用、电芯、电芯级联结构 Pending CN117096551A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202310860898.9A CN117096551A (zh) 2023-07-13 2023-07-13 电芯隔膜及其制备方法、应用、电芯、电芯级联结构

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202310860898.9A CN117096551A (zh) 2023-07-13 2023-07-13 电芯隔膜及其制备方法、应用、电芯、电芯级联结构

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN117096551A true CN117096551A (zh) 2023-11-21

Family

ID=88781046

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202310860898.9A Pending CN117096551A (zh) 2023-07-13 2023-07-13 电芯隔膜及其制备方法、应用、电芯、电芯级联结构

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN117096551A (zh)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9356281B2 (en) Intercalation electrode based on ordered graphene planes
KR101308677B1 (ko) 리튬 이차전지
US20070212611A1 (en) Lithium secondary battery
CN108511761B (zh) 一种含ptc涂层的集流体及含该集流体的锂离子电池
CN111785925A (zh) 极片及应用、含有该极片的低温升高安全性锂离子电池
WO2023155623A1 (zh) 电池和用电装置
CN111146410B (zh) 负极活性材料及电池
CN109830774B (zh) 自冷却散热集流体及动力电池电芯
CN114267822B (zh) 一种包含补锂层的负极及其制备方法及锂电池
US20210296704A1 (en) All solid state battery and method for manufacturing the same
KR101586536B1 (ko) 전고상 리튬이차전지용 탄소섬유 시트 집전체의 제조방법 및 탄소섬유 시트 집전체를 포함하는 전고상 리튬이차전지
CN112952292B (zh) 一种可用于金属锂电池和金属钠电池的复合隔膜及其制备方法以及应用
KR20140015841A (ko) 이중 코팅층이 형성된 전극을 포함하는 리튬이차전지
CN112952036A (zh) 一种预锂化负极片及其制作工艺以及锂离子电池
CN112635701A (zh) 一种锂电池电极及其干法制备方法和应用
CN117096551A (zh) 电芯隔膜及其制备方法、应用、电芯、电芯级联结构
CN109119637B (zh) 集流体涂层、极片、锂离子电池及其制备方法
JP2009087875A (ja) 高放熱性電気化学素子および電源装置
EP3780215A1 (en) Battery manufacturing method
EP4007033A1 (en) All-solid-state laminated battery
EP4340073A1 (en) Composite binder, negative electrode slurry, silicon negative electrode plate, and lithium-ion battery
KR100749626B1 (ko) 이차전지
CN114122318A (zh) 一种负极极片及其制备方法和应用
CN114171849A (zh) 一种核壳结构复合隔膜及其制备方法
CN221041166U (zh) 一种电芯、电芯级联结构及动力电池

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination