CN117438743A - 电池隔膜及其制备方法、电池和电子装置 - Google Patents

电池隔膜及其制备方法、电池和电子装置 Download PDF

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CN117438743A CN202210854316.1A CN202210854316A CN117438743A CN 117438743 A CN117438743 A CN 117438743A CN 202210854316 A CN202210854316 A CN 202210854316A CN 117438743 A CN117438743 A CN 117438743A
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Abstract

本申请提供一种电池隔膜包括基膜及结合于基膜至少一表面的多孔的芳纶涂层。芳纶涂层包括与基膜结合的高密度区域和低密度区域,高密度区域和低密度区域相互混杂且连接。其中高密度区域的密度大于低密度区域的密度,低密度区域相对高密度区域凸起,所述高密度区域形成为所述芳纶涂层中的凹坑。本申请还提供该电池隔膜的制备方法和包括该电池隔膜的电池和电子装置。高密度区域作为芳纶涂层的骨架结构起到支撑作用,保证隔膜的破膜温度与热收缩性能,低密度区域则能缓解涂层的增加对离子电导率的不良影响。芳纶涂层中高密度区域形成凹坑也为电解液提供更好的流通和保液通道,提高电芯对电解液吸收速率,降低电芯生产过程中注液难度。

Description

电池隔膜及其制备方法、电池和电子装置
技术领域
本申请涉及一种电池隔膜、该种电池隔膜的制备方法、包括该电池隔膜的电池和电子装置。
背景技术
随着锂离子电池的应用领域快速发展,人们对其使用寿命要求与安全性能的要求越来越高。而隔膜作为锂离子电池的电芯关键组件,用于将电池正、负级板分隔开来,防止两极接触造成短路,并且能使电解质中的离子通过。隔膜不仅是影响锂离子电池安全性能的根源,并且其结构与特性在很大程度上会影响电池的电化学性能与使用寿命。
常见的锂离子电池隔膜为聚烯烃多孔膜,这类材料的熔点跟力学性能都较低。当电池内部或外部温度升高时,隔膜的力学性能下降,容易收缩并破裂,无法满足安全需要。目前,隔膜厂商主要通过在聚烯烃隔膜表面涂覆陶瓷涂层或者芳纶涂层来改善隔膜的热稳定性能。理论上,涂层密度越大,孔隙率越小,则隔膜的耐热性能会更好;然而,隔膜的透气率、电解液润湿性以及锂离子传导率等特性会随之变差。
发明内容
本申请实施例第一方面提供了一种电池隔膜,包括:
基膜及结合于所述基膜至少一表面的多孔的芳纶涂层;
所述芳纶涂层包括与所述基膜结合的高密度区域和与所述基膜结合的低密度区域,所述高密度区域和所述低密度区域相互混杂且连接;其中所述高密度区域的密度大于所述低密度区域的密度;沿所述电池隔膜的厚度方向,所述低密度区域相对所述高密度区域凸起,所述高密度区域形成为所述芳纶涂层中的凹坑。
本申请通过在基膜上设置一特殊结构的芳纶涂层,既改善热稳定性,又不影响隔膜的离子电导率。所述高密度区域作为所述芳纶涂层的骨架结构起到支撑作用,保证隔膜的破膜温度与热收缩性能,所述低密度区域则能缓解涂层的增加对离子(例如锂离子)电导率的不良影响。同时,所述芳纶涂层中高密度区域形成凹坑也为电解液提供更好的流通和保液通道,提高电芯对电解液吸收速率,降低电芯生产过程中注液难度。此外,该芳纶涂层结构亦可在一定程度上释放应力,改善卷边,降低隔膜加工工艺难度。
本申请实施方式中,所述芳纶涂层由芳纶形成,或者所述芳纶涂层为包括芳纶和无机填料颗粒的混合层。
本申请实施方式中,当所述芳纶涂层中含有所述无机填料颗粒时,所述无机填料颗粒为SrTiO3、SnO2、Mg(OH)2、MgO、Al(OH)3、Al2O3、SiO2、BaSO4和TiO2中的至少一种,所述无机填料颗粒的重量占所述芳纶涂层重量的40%~90%。
添加适当含量的无机填料颗粒可提高芳纶涂层的致密度,改善隔膜的热收缩性能(降低热收缩率);同时协助在芳纶相转移成膜的过程中造孔,形成具有均匀孔径的涂布膜。
本申请实施方式中,高密度区域的密度为0.8~2.0g/cm3,低密度区域的密度为0.4~1.2g/cm3
制备所述芳纶涂层的过程中,当芳纶涂层未完全固化成膜时,经过表面凹凸不平的辊的挤压,由于辊的表面深度不一样,其接触芳纶涂层的局部压力不一样,由此辊的凸部对应形成高密度区域,辊的凹部对应形成低密度区域。
本申请实施方式中,所述高密度区域的面积为所述芳纶涂层面积的70%~95%。
本申请实施方式中,所述低密度区域的厚度为1.0~4.0μm。
本申请实施方式中,所述高密度区域的厚度为所述低密度区域厚度的50%~95%。
若高密度区域的厚度或面积在所述芳纶涂层中的占比太小,不仅会降低芳纶涂层本身机械性以及热收缩性能,其电解液浸润与保液性能也会受限制;若高密度区域的厚度或面积在所述芳纶涂层中的占比太大,隔膜的内阻改善效果则不理想。因此,本申请通过高密度区域选取适当的厚度或面积,改善热收缩的同时提升离子电导率。
本申请实施方式中,所述低密度区域相对所述高密度区域在所述芳纶涂层的厚度方向凸起的高度为0.1~2.0μm。
所述低密度区域的厚度比所述高密度区域的厚度大0.1~2.0μm。若高密度区域与低密度区域的厚度差太大,不规则厚度可能会导致所述芳纶涂层更易起皱,增加隔膜和电芯制备过程中的工艺难度,因此,本申请选取高低密度区域适当的厚度差。
本申请实施方式中,所述低密度区域的数量为多个,多个低密度区域相互间隔且被所述高密度区域所围绕;或者所述高密度区域的数量为多个,多个高密度区域相互间隔且被所述低密度区域所围绕;或者所述低密度区域的数量和所述高密度区域的数量均为多个,所述高密度区域和所述低密度区域交替排布。
所述高密度区域和所述低密度区域的排布可为周期性有规律的排布,也可以是非周期性的随机排布,整体上是高密度区域和低密度区域混杂的排布。
本申请实施方式中,所述高密度区域和所述低密度区域中均具有孔洞,所述高密度区域中的孔洞的孔径小于所述低密度区域中的孔洞的孔径。
本申请实施方式中,所述高密度区域中的孔洞的孔径为80~280nm,所述低密度区域中的孔洞的孔径为200~450nm。
本申请实施方式中,每一个高密度区域的宽度为0.5~5mm,所述低密度区域的宽度为所述高密度区域的宽度的5%~15%。
所述宽度的测量方法是:将一个圆放在所述高密度区域或低密度区域所在的投影区域(沿芳纶涂层厚度方向的投影),把投影区域中能放入的直径最大的圆的直径定义为该高密度区或低密度区域的宽度。
本申请实施方式中,所述电池隔膜在150℃时热收缩率≤5%。
本申请实施方式中,所述电池隔膜的破膜温度≥220℃。
本申请实施方式中,所述电池隔膜的离子电导率≥1.5mS/cm,所述芳纶涂层的单位厚度透气度增加值≤20s/100mL/μm,所述芳纶涂层的吸液率≥130%,所述电池隔膜的接触角≤35°,所述电池隔膜的浸润速度≥2mm2/s。
本申请实施方式中,所述基膜为多孔的聚合物膜。
本申请实施例第二方面提供了一种电池,包括正极、负极、位于所述正极和所述负极之间的电池隔膜,所述电池隔膜为本申请第一方面所述的电池隔膜。
由于所述电池隔膜既具有良好的热稳定性,又具有较佳的离子电导率,因此可明显提高了电池的电化学性能和安全性能,可有效延长电池的使用寿命。
本申请实施例第三方面提供了一种电子装置,包括壳体以及设置在所述壳体中的电池,所述电池为本申请第二方面所述的电池。
本申请实施例第四方面提供了一种电池隔膜的制备方法,包括:
将芳纶与良溶剂分散混合制得芳纶浆料;
将所述芳纶浆料施加到基膜的至少一个表面上,然后进入溶剂槽进行固化成膜,所述溶剂槽中含有不良溶剂和所述良溶剂,所述不良溶剂用以诱导所述芳纶与所述良溶剂的分散体系发生相分离;
所述芳纶浆料未完全固化形成芳纶涂层时,在所述溶剂槽中使用具有凹凸形状的辊挤压未完全固化的芳纶涂层,使凹凸不平的形状转印到所述芳纶涂层,继续经过所述溶剂槽完成所述芳纶涂层的固化成膜。
本申请电池隔膜的制备方法,将芳纶浆料均匀涂覆于基膜上,进入溶剂槽后,均匀的芳纶涂层开始相分离,使未完全相分离固化的涂层经过表面凹凸不平的辊,由于辊的表面深度不一样,其接触芳纶涂层的局部压力不一样,由此辊的凸部对应形成高密度区域,辊的凹部对应形成低密度区域,其高低密度区域的密度可通过涂布膜在经过辊前的时间控制、辊的凹凸厚度差以及溶剂槽中良溶剂的浓度来调控。
本申请实施方式中,所述良溶剂为N-甲基吡咯烷酮、二甲基乙酰胺和N,N-二甲基甲酰胺中的至少一种;所述不良溶剂为水、甲醇、乙醇、丙醇、丙酮、乙酸乙酯、二氯甲烷和石油醚中的至少一种或者多种。
本申请实施方式中,所述溶剂槽为至少两段的多段式溶剂槽,所述基膜和结合在所述基膜表面的芳纶浆料依次进入所述多段式溶剂槽中,且依次进入的所述多段式溶剂槽中的所述良溶剂的含量为依次减小的。
本申请实施方式中,所述辊具有凸部与凹部,所述凸部与所述凹部的厚度差为0.1~2.0μm。
附图说明
图1是现有技术的锂离子电池的示意图。
图2是本申请实施例的电池隔膜的剖面示意图。
图3A至图3C是本申请实施例的电池隔膜的高密度区域和低密度区域的三种排布示意图。
图4A至图4F是本申请实施例的电池隔膜的高密度区域和低密度区域的六种排布示意图。
图5是电池隔膜的制备过程的一示意图。
主要元件符号说明
锂离子电池 100
正极 11
负极 13
隔膜 15
电池隔膜 200
基膜 10
芳纶涂层 30
高密度区域 31
低密度区域 33
溶剂槽 210
传动滚轴 220
具体实施方式
下面结合本申请实施例中的附图对本申请实施例进行描述。本申请中记载的数据范围值如无特别说明均应包括端值。
如图1所示,一种高容量液态的锂离子电池100包括正极11、负极13、位于所述正极11和所述负极13之间的隔膜15。所述锂离子电池100还包括电解液(图未示),通常正极11、负极13以及隔膜15均为多孔的结构,所述电解液可填充在所述正极11、负极13以及所述隔膜15的孔隙中。
现有的隔膜通常在聚合物隔膜表面涂覆陶瓷或者芳纶涂层来改善隔膜热稳定性能。然而,芳纶涂覆层需要达到一定厚度才能改善热收缩及破膜温度,但芳纶涂覆层厚度的增加会影响隔膜的离子电导率,导致电芯内阻变大。
本申请提供一种电池隔膜,其通过在聚合物材质的基膜上设置一特殊结构的芳纶涂层,既改善热稳定性,又不影响隔膜的离子电导率。
如图2所示,本申请的电池隔膜200,包括基膜10及结合于所述基膜10至少一表面的多孔的芳纶涂层30。所述芳纶涂层30包括与基膜10结合的高密度区域31和与基膜10结合的低密度区域33。所述高密度区域31和所述低密度区域33相互混杂且连接,使所述芳纶涂层30形成为连续的层。所述高密度区域31的密度大于所述低密度区域33的密度。沿所述电池隔膜200的厚度方向,所述低密度区域33相对所述高密度区域31凸起,也即,所述低密度区域33的厚度大于所述高密度区域31的厚度。如此,所述芳纶涂层30背离所述基膜10的表面为凹凸不平的,且所述高密度区域31形成为所述芳纶涂层30中的凹坑。
所述基膜10为常规的多孔的聚合物膜,例如可为聚烯烃(PO)膜、聚乙烯(PP)膜、聚丙烯(PE)膜、聚乙烯与聚丙烯复合膜、聚酰亚胺(PI)膜以及聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)膜中的任意一种。所述基膜10的厚度为4~20μm,提供隔膜所需要的力学强度。
一实施例中,所述芳纶涂层30由芳纶形成。所述芳纶可为间位、对位或者其他杂环、改性芳纶中的一种或者几种。其他实施例中,所述芳纶涂层30为包括芳纶和无机填料颗粒的混合层,其中无机填料颗粒约占所述芳纶涂层质量的40%~90%。所述无机填料颗粒可为SrTiO3、SnO2、Mg(OH)2、MgO、Al(OH)3、Al2O3、SiO2、BaSO4和TiO2中的至少一种,但不以此为限。所述无机填料颗粒的粒径D50≤800nm。添加适当含量的无机填料颗粒可提高芳纶涂层的致密度,改善隔膜的热收缩性能(降低热收缩率);同时协助在芳纶相转移成膜的过程中造孔,形成具有均匀孔径的涂布膜。
一实施例中,所述高密度区域31的密度为0.8~2.0g/cm3,所述低密度区域33的密度为0.4~1.2g/cm3。所述低密度区域33相对所述高密度区域31凸起的高度为0.1~2.0μm,即所述低密度区域33的厚度比所述高密度区域31的厚度大0.1~2.0μm。
所述芳纶涂层30背离所述基膜10的表面为凹凸不平的,厚度并不均一。所述低密度区域33的厚度为1.0~4.0μm。所述高密度区域31的厚度为所述低密度区域33厚度的50%至95%。
所述芳纶涂层30中,高密度区域31的总面积要大于低密度区域33的总面积。一实施例中,所述芳纶涂层30中所有的高密度区域31的总面积为所述芳纶涂层30面积的70%~95%。
若高密度区域31的厚度、宽度或面积在所述芳纶涂层30中的占比太小,不仅会降低芳纶涂层30本身机械性以及热收缩性能,其电解液浸润与保液性能也会受限制;若高密度区域31的厚度、宽度或面积在所述芳纶涂层30中的占比太大,隔膜的内阻改善效果则不理想。此外,若高密度区域31与低密度区域33的厚度差太大,不规则厚度可能会导致所述芳纶涂层30更易起皱,增加隔膜和电芯制备过程中的工艺难度。
请参阅图3A至图3C,高密度区域31和低密度区域33的三种排布示意。如图3A所示,高密度区域31和低密度区域33的数量均为多个,每一个高密度区域31和每一个低密度区域33均为矩形条状,且二者交替排布。如图3B所示,高密度区域31的数量为多个,每一个高密度区域31为圆形,且无规律的排布,圆形以外的区域为所述低密度区域33。如图3C所示,高密度区域31的数量为多个,每一个高密度区域31为不规则的岛状,且无规律的排布,岛状以外的区域为所述低密度区域33。图3B和图3C中,多个高密度区域31被低密度区域33所围绕。
如图3A至图3C所示,所述多个高密度区域31的数量为多个,且以非连续(相互间隔)的各种规则的或不规则的形状排布,并连接所述低密度区域33,规则的形状例如可为圆形、三角形、四边形、五边形、六边形、条纹等,不规则的形状可为不规则的岛状,形状均没有特别的限制。可以理解的,各个高密度区域31的形状可为相同的,也可为不同的。各个高密度区域31的厚度、宽度、形状可相同,也可不相同。
图4A至图4E中也同样示出高密度区域31和低密度区域33的五种排布示意,所述低密度区域33的数量为多个,且以非连续(相互间隔)的各种规则的或不规则的形状排布,其他区域则为高密度区域31,多个低密度区域33被高密度区域31所围绕。各个低密度区域33的形状可为相同的,也可为不同的。如图4F所示,高密度区域31和低密度区域33的数量均为多个,且二者交替排布。
所述高密度区域31和所述低密度区域33的排布可为周期性有规律的排布,也可以是非周期性的随机排布,整体上是高密度区域31和低密度区域33混杂的排布。所述高密度区域31和所述低密度区域33混杂的排布,可在保证隔膜耐热性能与机械强度的前提下,改善其透气、电解液浸润性以及离子电导率。
所述高密度区域31作为所述芳纶涂层30的骨架结构起到支撑作用,保证隔膜的破膜温度与热收缩性能,所述低密度区域33则能缓解涂层增加对离子(例如锂离子)电导率的不良影响。同时,所述芳纶涂层30中高密度区域31形成凹坑也为电解液提供更好的流通和保液通道,提高电芯对电解液吸收速率,降低电芯生产过程中注液难度。此外,该芳纶涂层30结构亦可在一定程度上释放应力,改善卷边,降低隔膜加工工艺难度。
一实施例中,所述高密度区域31的宽度为0.5~5mm。所述低密度区域33的宽度小于所述高密度区域31的宽度,可为高密度区域31的宽度5%~15%。所述宽度的测量方法是将一个圆放入所述高密度区域31所在的投影区域(沿芳纶涂层30厚度方向的投影),把该投影区域中能放入的直径最大的圆的直径定义为该高密度区域31的宽度;低密度区域33所在的投影区域(沿芳纶涂层30厚度方向的投影)能放入的直径最大的圆的直径定义为低密度区域33的宽度。该宽度的测试方法适应各种规则的或不规则图形的高密度区域31和低密度区域33。例如,图3A中,高密度区域31中的宽度为矩形条的宽度,图3B中,高密度区域31中的宽度为圆形的直径。沿高密度区域31的长度延伸方向,所述高密度区域31的宽度可为变化,或者宽度保持一个稳定的值。
所述多个高密度区域31和所述低密度区域33中均具有孔洞,所述高密度区域31中的孔洞的孔径小于所述低密度区域33中的孔洞的孔径。一实施例中,所述高密度区域31中的孔洞的孔径为80~280nm,所述低密度区域33中的孔洞的孔径为200~450nm。
电解液一般需要较长时间才能渗入进隔膜。本申请的电池隔膜,芳纶涂层中的高密度区域相当于形成了凹坑,能增加电解液的流动通道与保液通道,有利于快速注液与保液。通常的芳纶涂布膜容易卷边,而本申请的芳纶涂层的低密度区域与高密度区域由于厚度差形成的凹坑可释放应力,在一定程度上可改善隔膜的卷边问题。
所述电池隔膜200在150℃时的热收缩率≤5%,破膜温度≥220℃,离子电导率≥1.5mS/cm。所述芳纶涂层30的单位厚度透气度增加值≤20s/100mL/μm,吸液率≥130%。所述电池隔膜200的接触角≤35°,浸润速度≥2mm2/s。通过所述结构特殊的芳纶涂层30的设置,使所述电池隔膜200具有优良的性能。
本申请还提供一种电池(图未示),包括上述的电池隔膜。所述电池也包括负极和正极,所述电池隔膜位于所述正极和所述负极之间以隔绝所述正极和所述负极。所述电池还包括电解液填充在所述正极、所述负极和所述电池隔膜的孔隙中。所述电池可为各类需要使用到电池隔膜的电池,例如锂离子电池、钠离子电池、钾离子电池等。
由于所述电池隔膜既具有良好的热稳定性,又具有较佳的离子电导率,因此可明显提高了电池的电化学性能和安全性能,可有效延长电池的使用寿命。
本申请还提供一种电子装置(图未示),包括壳体以及设置在所述壳体中上述的电池。
本申请还提供所述电池隔膜的制备方法,包括如下步骤。
S1:将芳纶与良溶剂混合制得芳纶浆料。所述良溶剂能够与所述芳纶形成稳定的分散体系,一些实施例中,所述良溶剂可以溶解芳纶。
S2:将所述芳纶浆料施加到基膜的至少一个表面上,然后进入溶剂槽进行固化,所述溶剂槽中含有不良溶剂和所述良溶剂;所述芳纶浆料未完全固化形成芳纶涂层时,在溶剂槽中使用具有凹凸形状的辊挤压未完全固化的芳纶涂层,使凹凸不平的表面形状转印到涂层;继续经过溶剂槽完成芳纶涂层的固化。所述不良溶剂用以诱导所述芳纶与良溶剂的分散体系发生相分离。
S3:从所述溶剂槽将基膜和结合在基膜表面的固化后的芳纶涂层取出,进行烘干,例如可置于烘箱中烘干。
一些实施例中,步骤S1中,所述芳纶浆料中还添加无机填料颗粒,即将芳纶分散在良溶剂中时,也将无机填料颗粒均匀分散在良溶剂中,然后二者混合均匀。所述无机填料颗粒可为SrTiO3、SnO2、Mg(OH)2、MgO、Al(OH)3、Al2O3、SiO2、BaSO4和TiO2中的一种或者几种。所述芳纶浆料中芳纶与无机填料的质量占比为15%~30%。当不含有无机填料颗粒时,所述芳纶浆料中芳纶的质量占比为15%~30%。
步骤S1中,所述良溶剂为N-甲基吡咯烷酮(NMP)、二甲基乙酰胺(DMAC)和N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中的至少一种。
步骤S2中,所述芳纶浆料施加到所述基膜的方式可以采用涂布的方式,例如刮刀逗式涂布、线棒式涂布、挤压式刮棒涂布、凹版涂布或狭缝式涂布之中任意一种。
本申请中,所述溶剂槽可以为一段式溶剂槽也可为至少两段的多段式溶剂槽。请参阅图5,所述溶剂槽210为三段式溶剂槽。所述溶剂槽210中含有良溶剂和所述不良溶剂的混合液体,涂布后的基膜浸泡到溶剂槽210的混合液体中,使芳纶浆料逐渐固化成膜为芳纶涂层,固化成膜的过程中所述芳纶涂层会形成多孔的结构。所述不良溶剂可为水、甲醇、乙醇、丙醇、丙酮、乙酸乙酯、二氯甲烷和石油醚中的一种或者多种,但不以此为限。一些实施例中,依次进入的所述多段式溶剂槽中的良溶剂的浓度含量为依次减小的。如图5所示,所述步骤S2和S3中还可依靠传动滚轴220带动涂布后的基膜逐步移动,例如每一段溶剂槽210中均设置有传动滚轴220。
本申请中,芳纶浆料固化成膜的过程指聚合物发生非溶剂相分离使形成多孔膜的过程。涂覆聚合物溶液(芳纶浆料)的基膜浸入含有非良溶剂的混合液体后,聚合物溶液中的良溶剂与非良溶剂发生双向扩散,体系原有的热力学平衡被打破,使均相的聚合物溶液发生相分离,即随聚合物中非溶剂增多,在一定程度后,聚合物从溶液中变成固相析出,转变成一个三维大分子网络式的凝胶结构,最终固化成膜。
芳纶浆料固化成膜的过程分为主要两个阶段:分相过程和相转化过程。其中,分相过程是指聚合物溶液(芳纶浆料)浸入溶剂槽中的溶液中,溶剂和非溶剂进行相互扩散,当溶剂和非溶剂之间的交换达到一定程度,芳纶浆料由于热力学不稳定体系,开始发生相分离,其为决定膜孔结构的关键步骤;聚合物溶液变成热力学不稳定体系,开始发生相分离,这一阶段是决定膜孔结构的关键步骤。而相转化过程指分相后,溶剂、非溶剂进一步交换,发生了膜孔的凝聚、相间流动以及聚合物富相固化成膜,这一阶段对最终聚合物膜的结构形态影响很大。
本申请电池隔膜的制备方法,在芳纶浆液发生相分离之后且完全固化成膜之前,采用辊压工艺,使未完全固化的芳纶涂层经过表面凹凸不平的辊的挤压,从而获得凹凸不平的芳纶涂层。步骤S2中,将芳纶浆料均匀涂覆于基膜上,进入溶剂槽后,均匀的芳纶涂层开始相分离,使未完全固化的涂层经过表面凹凸不平的辊(图未示),由于辊的表面深度不一样,其接触芳纶涂层的局部压力不一样,由此辊的凸部对应形成高密度区域,辊的凹部对应形成低密度区域,其中高低密度区域的密度可通过涂布膜在经过辊前的时间控制、辊的凹凸厚度差以及溶剂槽中良溶剂的浓度来调控。本申请中,若辊压发生在未完全相分离前,经过辊后会出现涂层划伤且堵孔的风险;若辊压发生在芳纶完全固化后,再经过辊则没有意义,无法得到同时具有高密度区域和低密度区域结构的涂层。
所述芳纶涂层中高密度区域和低密度区域的凹凸结构的形状,由所述辊表面的凹凸形状决定,辊表面可根据需要设置各种形状的凸部,没有特别限制。一些实施例中,所述辊的凸部与凹部厚度差为0.1~2.0μm。
芳纶涂布膜进入溶剂槽后至经过溶剂槽中的辊挤压之前的时间需要控制,一实施例中,该时间可为3~15s。若芳纶涂布膜进入溶剂槽后至经过溶剂槽中的辊之前的时间太短,则可能芳纶浆料未完全相分离,经过辊后有出现膜划伤堵孔的风险,若时间太长,聚合物已完成固化,再经过辊则无法将凹凸形状进行转印。
本申请中,影响相分离过程的因素有以下:
(1)溶剂槽中溶液的组成。非溶剂与溶剂之间的交换速率会影响聚合物相分离的速度及成膜孔径大小,交换速率越快,成膜速度越快,越易生成大孔。一般通过在溶剂槽中溶液中加入聚合物良溶剂来抑制大孔的生成。
(2)聚合物(芳纶)的分子量与浓度。一般来说,分子量越大,其相分离速度会越快。若分子量过大,会导致造孔困难,其表面易生成致密层,隔膜透气变差,影响内阻;若分子量过低,则不能达到理想的机械强度。聚合物浓度过低,成膜很薄,易脱落,甚至难以成膜;若聚合物浓度过高,易生成致密涂层。
(3)良溶剂与不良溶剂的影响。不同的溶剂与不良溶剂在相分离过程中的扩散速度不同,导致相分离速度及成膜的结构不一样。
综上,溶剂槽中溶液的组成、聚合物的分子量与浓度、以及良溶剂与不良溶剂的选择都会影响相分离的速度与成膜结构。因此本申请中使用的辊压工艺,可以是在第一段溶剂槽进行,也可是在第二段溶剂槽进行,只需满足发生相分离之后且完全固化成膜之前进行即可(可以限定涂布膜进入溶剂槽后的时间,也可以限定涂布膜进入溶剂槽后的距离)。
本申请通过优化芳纶涂层的固化成膜的工艺条件,即让未完全相分离固化的涂层经过凹凸辊获得具有不同密度区域的涂层结构,制备出特殊结构的芳纶涂层,既可以有效的增加隔膜的耐热收缩性能,提高破膜温度,又能改善隔膜内阻,增加注液速率和吸液率,同时,也可改善隔膜卷边问题。
下面通过具体实施例对本申请实施例技术方案进行进一步的说明。
实施例一
(1)芳纶浆料的配制:
将15g间位芳纶均匀分散于160gDMAC溶剂中,40℃条件下搅拌2h至芳纶完全溶解;将63gBaSO4加入170gDMAC中,充分研磨分散后得到BaSO4分散液;上述芳纶溶液和BaSO4分散液混合均匀后得到芳纶浆料。
(2)涂布和固化成膜:
使用凹版辊将(1)中芳纶浆料涂覆于PE基膜的相对两表面,涂布速度为30m/min;涂布膜进入第一段水箱5s后,使其经过凹部与凸部厚度差为1.3μm,凹部宽度为4mm,凸部宽度为0.2mm的辊,随后继续依次进入第二和第三段水箱(依次为第一段水箱、第二段水箱、第三段水箱)进行固化,各段水箱均含有水和DMAC,且第一段水箱、第二段水箱、第三段水箱中的DMAC含量逐渐减小。
区别于现有技术(对比例一)的改进之处:优化芳纶涂层的固化工艺条件,让未完全相分离固化的涂层经过辊以获得具有不同密度的凹凸状结构涂层。为了让凹部跟凸部都得到均匀的芳纶涂层,芳纶涂布膜经过水箱中凹凸状辊时应处于发生相分离但未完全固化的状态。此结构大幅度提高了芳纶隔膜热收缩性能,增加隔膜电解液流通通道,且其涂层透气增加与现有技术相差不大。
实施例二
(1)芳纶浆料的配制:
将15g间位芳纶均匀分散于160gDMAC溶剂中,40℃条件下搅拌2h至芳纶完全溶解;将63gBaSO4加入170gDMAC中,充分研磨分散后得到BaSO4分散液;将上述芳纶溶液和BaSO4分散液混合均匀后得到芳纶浆料。
(2)涂布和固化成膜:
使用凹版辊将(1)中芳纶浆料涂覆于PE基膜的相对两表面,涂布速度为30m/min;涂布膜进入水箱5s后,使其经过凹部与凸部厚度差为0.3μm,且凹部宽度为4mm,凸部宽度为0.2mm的辊,随后继续依次进入第二和第三段水箱进行固化,各段水箱均含有水和DMAC,且第一段水箱、第二段水箱、第三段水箱中的DMAC含量逐渐减小。
实施例二与实施例一的区别:减小了凹凸辊的凹部与凸部厚度差值,结果芳纶涂层的热收缩性能下降,但透气增加变小,改善内阻,提高离子导电率。
实施例三
(1)芳纶浆料的配制:
将15g间位芳纶均匀分散于160gDMAC溶剂中,40℃条件下搅拌2h至芳纶完全溶解;将63gBaSO4加入170gDMAC中,充分研磨分散后得到BaSO4分散液;将上述芳纶溶液和BaSO4分散液混合均匀后得到芳纶浆料。
(2)涂布和固化成膜:
使用凹版辊将(1)中芳纶浆料涂覆于PE基膜的相对两表面,涂布速度为30m/min,涂布膜进入第一段水箱5s后,使其经过凹部与凸部厚度差为1.3μm,且凹部宽度为2mm,凸部宽度为0.2mm的辊,随后继续依次进入第二和第三段水箱进行固化,各段水箱均含有水和DMAC,且第一段水箱、第二段水箱、第三段水箱中的DMAC含量逐渐减小。
实施例三与实施例一的区别:降低凹部宽度,浸润性能与透气性能得到改善,但热收缩率小幅度下降
实施例四
(1)芳纶浆料的配制:
将15g间位芳纶均匀分散于160gDMAC溶剂中,40℃条件下搅拌2h至芳纶完全溶解;将63gBaSO4加入170gDMAC中,充分研磨分散后得到BaSO4分散液;将上述芳纶溶液和BaSO4分散液混合均匀后得到芳纶浆料。
(2)涂布和固化成膜:
使用凹版辊将(1)中芳纶浆料涂覆于PE基膜的相对两表面,涂布速度为30m/min,涂布膜进入第一段水箱10s后,使其经过凹部与凸部厚度差为1.3μm,且凹部宽度为4mm,凸部宽度为0.2mm的辊,随后继续依次进入第二和第三段水箱进行固化,各段水箱均含有水和DMAC,且第一段水箱、第二段水箱、第三段水箱中的DMAC含量逐渐减小。
实施例四与实施例一的区别:增大涂布膜进入水箱后至经过凹凸辊前的时间,由于此方案辊压时间与实施例一辊压时间均处于芳纶膜发生相分离,但未完全固化,因此隔膜物性与实施例一无明显差别。
实施例五
(1)芳纶浆料的配制:
将15g间位芳纶均匀分散于160gDMAC溶剂中,40℃条件下搅拌2h至芳纶完全溶解;将63gBaSO4加入170gDMAC中,充分研磨分散后得到BaSO4分散液;将上述芳纶溶液和BaSO4分散液混合均匀后得到芳纶浆料。
(2)涂布和固化成膜:
使用凹版辊将(1)中芳纶浆料涂覆于PE基膜的相对两表面,涂布速度为30m/min,涂布膜进入第一段水箱5s后,使其经过凹部与凸部厚度差为0.6μm,且凹部宽度为4mm,凸部宽度为0.2mm的辊,随后继续依次进入第二和第三段水箱进行固化,各段水箱均含有水和DMAC,且第一段水箱、第二段水箱、第三段水箱中的DMAC含量逐渐减小。
实施例五与实施例一的区别:减少涂层厚度,热收缩性能下降,涂层总透气相对降低实施例六
(1)芳纶浆料的配制:
将15g间位芳纶均匀分散于350gDMAC溶剂中,40℃条件下搅拌2h至芳纶完全溶解,得到芳纶浆料。
(2)涂布和固化成膜:
使用凹版辊将(1)中芳纶浆料涂覆于PE基膜的相对两表面,涂布速度为30m/min,涂布膜进入第一段水箱5s后,使其经过凹部与凸部厚度差为1.5μm,且凹部宽度为4mm,凸部宽度为0.2mm的辊,随后继续依次进入第二和第三段水箱进行固化,各段水箱均含有水和DMAC,且第一段水箱、第二段水箱、第三段水箱中的DMAC含量逐渐减小。
实施例六与实施例一的区别:不添加无机粒子,热收缩性能大幅度下降。
对比例一
(1)芳纶浆料的配制:
将15g间位芳纶均匀分散于160gDMAC溶剂中,40℃条件下搅拌2h至芳纶完全溶解;将63gBaSO4加入170gDMAC中,充分研磨分散后得到BaSO4分散液;将上述芳纶溶液和BaSO4分散液混合均匀后得到芳纶浆料。
(2)涂布和固化成膜:
使用凹版辊将(1)中芳纶浆料涂覆于PE基膜的相对两表面,涂布速度为30m/min,涂布膜依次进入三段水箱进行固化。
对比例一无辊挤压工序。
对比例二
(1)芳纶浆料的配制:
将15g间位芳纶均匀分散于350gDMAC溶剂中,40℃条件下搅拌2h至芳纶完全溶解,得到芳纶浆料。
(2)涂布和固化成膜:
使用凹版辊将(1)中芳纶浆料涂覆于PE基膜的相对两表面,涂布速度为30m/min,涂布膜依次进入三段水箱进行固化。
对比例二芳纶浆料中未添加无机填料粒子且无辊压工序。与对比例一相比,不添加无机粒子,热收缩性能大幅度下降。
实施例一至六以及对比例一至二的参数和测试结果如下表所示。
可见:现有的制备工艺(对比例一)条件下,若想要电池隔膜的热收缩率≤5%,则需芳纶涂层满足厚度至少等于4μm,涂层密度大于1.1g/cm3,此时芳纶涂层的单位厚度涂层透气度增加值约为17;本申请中,参考实施例五,芳纶涂层厚度(即低密度区域厚度)等于2μm即可满足达到热收缩率为3.9%(即≤5%),同时透气度增加值为17(即小于20);这说明本申请的芳纶涂层用较小的厚度就可以达到现有技术较大厚度的芳纶涂层所能达到的较小的热收缩率≤5%。
当与对比例具有相等的芳纶涂层厚度(厚度为4μm)时,本申请的电池隔膜(参考实施例一至四)保证透气不剧增的前提下,热收缩性能大幅提升(实施例一至四的热收缩率较对比例一显著降低)。与现有工艺制得的隔膜具有相近热收缩性能时,本申请的电池隔膜(参考实施例五)的芳纶涂层厚度能减少一半,改善芳纶涂层带来的透气增加与内阻增加问题。参对比例二,纯的芳纶涂层在保证具有良好透气性能的前提下,无法满足优异的热收缩性能,一般需添加无机填料颗粒来改善其耐热性,但会降低芳纶涂层的机械性能,而本申请具有特殊结构的纯的芳纶涂层能同时兼顾透气、热收缩性能及机械性能(参实考施例六)。
上述实施例和对比例的产品的性能参数测试方法,具体如下。
(1)涂层密度的计算方法:
a.连续性芳纶涂布膜(未经凹凸滚轴)涂层密度计算:
涂层密度ρ1=涂层质量m/(涂层面积S*涂层厚度d1)
b.连续性芳纶涂布膜(经凹凸滚轴)涂层密度计算:
由于涂层质量m未发生变化,那么推出:
涂层密度(经过滚轴凸部)ρ2=涂层密度ρ1*(涂层厚度d1/涂层实际厚度d2)
涂层密度(经过滚轴凹部)ρ3=涂层密度ρ1*(涂层厚度d1/涂层实际厚度d3)
(2)孔径表征方法
将一卷隔膜在TD和MD方向上等距三等分,形成九宫格,每个格子内随机选取裁切1cm*1cm大小的样品,共计9个样品。
使用SEM对每个样品的截面和表面分别拍照,选取20K的放大倍率下的图片;将SEM图片导入Image J软件;根据SEM图片标尺设置Image J中对应的标尺比例;每个样品的截面和表面电镜都选取6.0μm*1.5μm长方形区域,依次标记孔径大小。尽可能的标记全部明显的孔,对20nm以下,无法有效识别的孔不进行记录;涂层表面电镜观察到不平整,在高低起伏处,同一位置厚度梯度方向有多层孔叠加时,选取最外侧孔进行记录;不规则孔,以最大直径处作为记录值;多孔连接在一起,如果长度超过500nm,则分别表征;将9个样品的表面和截面孔径分别情况累加,制成表面和截面的数量孔径分布图。D50为9个样品的全部孔径中累计数量为50%时的孔径大小。
(3)破膜温度(TMA表征)
使用热机械分析(TMA)设备进行测试,沿横向(TD)/纵向(MD)方向裁取长度为8mm,宽度为4mm的隔膜样品,在长度方向上施加0.02N的恒定载荷,5℃/min进行程序升温,记录隔膜的变形量,在变形量达到最大时意味着隔膜发生断裂,记录该点为破膜点,对应的温度则为TD/MD方向的破膜温度,本文中破膜温度指的为MD方向的破膜温度
(4)150℃热收缩率
将隔膜置于150℃的烘箱烘烤1h,计算其MD方向长度变化与隔膜初始尺寸的百分比即为热收缩率。
(5)芳纶涂层透气度增加值
涂层透气度增加值=(涂覆后整个涂覆隔膜的透气度-基膜的透气度)/涂层厚度。
(6)吸液率
取尺寸为5cm*5cm的涂布膜,称重并记录质量为M0,将其放置于1mol/L LiPF6电解液中(EC/EMC/DMC=1:1:1),45℃下浸泡24后取出,无尘纸擦拭后称重并记录质量为M1。
吸液率=(M1-M0)/M0。
(8)接触角
将隔膜放置接触角测量仪仪器试样台,确保试样放置水平;在针头末端悬挂2μL去离子水滴,升高试样台使试样表面接触悬挂的水滴,移开试样,完成水滴的转移,5秒后,进行接触角的测量。
(9)浸润性
将隔膜固定于空心圆柱体,并向其滴加取2μL电解液(LiPF6 1M),室温下静置10s后,利用影像测试探头采集电解液在PP隔膜上扩散的图像,并通过配套的图像显示及数据计算装置得出电解液在PP隔膜上扩散的面积。
电解液在隔膜上的扩散速率=电解液在隔膜上的浸润面积/静置时间。
需要说明的是,以上仅为本申请的具体实施方式,但本申请的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内,可轻易想到变化或替换,都应涵盖在本申请的保护范围之内;在不冲突的情况下,本申请的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。因此,本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (22)

1.一种电池隔膜,其特征在于,包括:
基膜及结合于所述基膜至少一表面的多孔的芳纶涂层;
所述芳纶涂层包括与所述基膜结合的高密度区域和与所述基膜结合的低密度区域,所述高密度区域和所述低密度区域相互混杂且连接;其中所述高密度区域的密度大于所述低密度区域的密度;沿所述电池隔膜的厚度方向,所述低密度区域相对所述高密度区域凸起,所述高密度区域形成为所述芳纶涂层中的凹坑。
2.根据权利要求1所述的电池隔膜,其特征在于,所述芳纶涂层为由芳纶形成,或者所述芳纶涂层为包括芳纶和无机填料颗粒的混合层。
3.根据权利要求2所述的电池隔膜,其特征在于,当所述芳纶涂层中含有所述无机填料颗粒时,所述无机填料颗粒为SrTiO3、SnO2、Mg(OH)2、MgO、Al(OH)3、Al2O3、SiO2、BaSO4和TiO2中的至少一种,所述无机填料颗粒的重量占所述芳纶涂层重量的40%~90%。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的电池隔膜,其特征在于,所述高密度区域的密度为0.8~2.0g/cm3,所述低密度区域的密度为0.4~1.2g/cm3
5.根据权利要求1至4中任一项所述的电池隔膜,其特征在于,所述高密度区域的面积为所述芳纶涂层面积的70%~95%。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的电池隔膜,其特征在于,所述低密度区域的厚度为1.0~4.0μm。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的电池隔膜,其特征在于,所述高密度区域的厚度为所述低密度区域厚度的50%~95%。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的电池隔膜,其特征在于,所述低密度区域相对所述高密度区域在所述芳纶涂层的厚度方向凸起的高度为0.1~2.0μm。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的电池隔膜,其特征在于,所述低密度区域的数量为多个,多个低密度区域相互间隔且被所述高密度区域所围绕;或者所述高密度区域的数量为多个,多个高密度区域相互间隔且被所述低密度区域所围绕;或者所述低密度区域的数量和所述高密度区域的数量均为多个,所述高密度区域和所述低密度区域交替排布。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的电池隔膜,其特征在于,所述高密度区域和所述低密度区域中均具有孔洞,所述高密度区域中的孔洞的孔径小于所述低密度区域中的孔洞的孔径。
11.根据权利要求10所述的电池隔膜,其特征在于,所述高密度区域中的孔洞的孔径为80~280nm,所述低密度区域中的孔洞的孔径为200~450nm。
12.根据权利要求1至10中任一项所述的电池隔膜,其特征在于,每一个高密度区域的宽度为0.5~5mm,所述低密度区域的宽度为所述高密度区域的宽度的5%~15%。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的电池隔膜,其特征在于,所述电池隔膜在150℃时热收缩率≤5%。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的电池隔膜,其特征在于,所述电池隔膜的破膜温度≥220℃。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的电池隔膜,其特征在于,所述电池隔膜的离子电导率≥1.5mS/cm,所述芳纶涂层的单位厚度透气度增加值≤20s/100mL/μm,所述芳纶涂层的吸液率≥130%,所述电池隔膜的接触角≤35°,所述电池隔膜的浸润速度≥2mm2/s。
16.根据权利要求1至15中任一项所述的电池隔膜,其特征在于,所述基膜为多孔的聚合物膜。
17.一种电池,包括正极、负极、位于所述正极和所述负极之间的电池隔膜,其特征在于,所述电池隔膜为如权利要求1至16中任一项所述的电池隔膜。
18.一种电子装置,包括壳体以及设置在所述壳体中的电池,其特征在于,所述电池为如权利要求17所述的电池。
19.一种电池隔膜的制备方法,其特征在于,包括:
将芳纶与良溶剂分散混合制得芳纶浆料;
将所述芳纶浆料施加到基膜的至少一个表面上,然后进入溶剂槽进行固化成膜,所述溶剂槽中含有不良溶剂和所述良溶剂,所述不良溶剂用以诱导所述芳纶与所述良溶剂的分散体系发生相分离;
所述芳纶浆料未完全固化形成芳纶涂层时,在所述溶剂槽中使用具有凹凸形状的辊挤压未完全固化的芳纶涂层,使凹凸不平的形状转印到所述芳纶涂层,继续经过所述溶剂槽完成所述芳纶涂层的固化成膜。
20.根据权利要求19所述的电池隔膜的制备方法,其特征在于,所述良溶剂为N-甲基吡咯烷酮、二甲基乙酰胺和N,N-二甲基甲酰胺中的至少一种;所述不良溶剂为水、甲醇、乙醇、丙醇、丙酮、乙酸乙酯、二氯甲烷和石油醚中的至少一种或者多种。
21.根据权利要求19或20所述的电池隔膜的制备方法,其特征在于,所述溶剂槽为至少两段的多段式溶剂槽,所述基膜和结合在所述基膜表面的芳纶浆料依次进入所述多段式溶剂槽中,且依次进入的所述多段式溶剂槽中的所述良溶剂的含量为依次减小的。
22.根据权利要求19至21中任一项所述的电池隔膜的制备方法,其特征在于,所述辊具有凸部与凹部,所述凸部与所述凹部的厚度差为0.1~2.0μm。
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