CN117895188A - 隔离膜、电化学装置以及电子设备 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种隔离膜、电化学装置以及电子设备，所述隔离膜包括基膜和设置在所述基膜至少一侧表面的无机涂层，所述无机涂层中含有陶瓷颗粒，所述陶瓷颗粒的莫氏硬度为3~9.5，所述隔离膜在温度100℃、压力3.5MPa时加热压缩10分钟后的气阻度变化率≤30%。本申请提供的隔离膜配置于电化学装置中能够改善电化学装置的热安全性能以及提升其在高温下的过充安全性能。
Description
技术领域
本申请涉及电化学储能领域，尤其涉及一种隔离膜、电化学装置以及电子设备。
背景技术
锂离子电池在高温条件下引发的安全问题近年不断引起大众的关注，在充电过程中，由于锂离子电池中隔离膜的热收缩或是破碎导致引发短路，更严重的可能引起爆炸事故，因此，对锂离子电池热性能和安全性能方面的研究也愈加引起重视。
发明内容
有鉴于此，本申请提供了一种隔离膜、电化学装置以及电子设备，以改善锂离子电池的热性能和安全性能。
第一方面，本申请提供了一种隔离膜，所述隔离膜包括基膜和设置在所述基膜至少一侧表面的无机涂层，所述无机涂层中含有陶瓷颗粒，所述陶瓷颗粒的莫氏硬度为3~9.5，所述隔离膜在温度100℃、压力3.5MPa时加热压缩10分钟后的气阻度变化率≤30%。满足上述条件的隔离膜有利于在高温和高压条件下，减少因气体阻碍导致的离子迁移速率局部存在的显著差异，还可以减少因电解液分解导致的产物堆积带来的更多副反应的产生，同时，本申请所述的隔离膜还可以保持一定的气阻度，即在高温工况下（130℃以上）可以及时减少正极和负极之间的反应，进而提升电化学装置的热箱测试通过率，并提升电化学装置和电子设备在高温下的过充安全性能。优选地，所述隔离膜在温度100℃、压力3.5MPa时加热压缩10分钟后的气阻度变化率≤18%。
在一些实施方式中，所述陶瓷颗粒的莫氏硬度为6~9.5，所述陶瓷颗粒的D50粒径为50nm~400nm。通过调整陶瓷颗粒的莫氏硬度以及陶瓷颗粒的D50粒径在上述范围内，可以进一步改善电化学装置的热箱测试通过率，提升电化学装置和电子设备在高温下的过充安全性能。
在一些实施方式中，所述隔离膜还包括聚合物涂层，所述聚合物涂层设置在所述无机涂层上，所述聚合物涂层中含有第一聚合物颗粒和第二聚合物颗粒，所述第一聚合物颗粒的熔点为65℃~100℃，所述第二聚合物颗粒的熔点为135℃~160℃。发明人推测，当聚合物涂层具有上述两种不同熔点的物质，可以使得在不同温度条件下，聚合物发挥合适的粘接，以使隔离膜保持合适的穿刺强度，且提升组装电化学装置的浮充容量保持率，并减小电化学装置的浮充容量膨胀率。
在一些实施方式中，所述第一聚合物颗粒的球形度为X，0.7≤X≤0.95，所述第二聚合物颗粒的球形度为Y，0≤(X-Y)≤0.2。发明人意外发现，当聚合物涂层具有上述两种熔点的聚合物且两种聚合物颗粒满足本申请的球形度范围，此时，利于聚合物在不同工况的温度下及时发挥合适的粘接，使得隔离膜保持合适的穿刺强度，且提升组装电化学装置的浮充容量保持率，并减小电化学装置的浮充容量膨胀率。
在一些实施方式中，所述隔离膜的动摩擦系数为0.1~0.28。当隔离膜表面的动摩擦系数满足该范围时，在卷绕中，隔离膜更不容易相对正负极发生移动，从而减少正负极之间因隔离膜的滑动，使得正负极接触带来的短路风险；当摩擦系数在该范围内，可以增加合适的层间隙，提升隔离膜的耐穿刺能力，同时减少因隔离膜的滑动，带来的毛刺刺穿隔离膜的可能性，从而降低电化学装置短路的风险，提升电化学装置的热箱测试通过率，并提升电化学装置和电子设备在高温下的过充安全性能。而当动摩擦系数过大或者过小时，均会影响到电解液的浸润效果，从而使得电化学装置或电子装置的充放电性能变差，降低电化学装置的浮充容量保持率，使得电化学装置的浮充容量膨胀率变高。
在一些实施方式中，所述第一聚合物的Dv50范围为1~1.8μm，所述第二聚合物的Dv50范围为1.2~2.3μm。当所述的第一聚合物和第二聚合物的Dv50满足本申请范围时，此时两种聚合物会表现出合适的粘稠度，有利于聚合物在不同工况的温度下及时发挥合适的粘接，使得隔离膜保持合适的穿刺强度，且提升组装电化学装置的浮充容量保持率，并减小电化学装置的浮充容量膨胀率。
第二方面，本申请提供了一种电化学装置，所述电化学装置包括固体电解质和上述任一项所述的隔离膜。
在一些实施方式中，所述固体电解质包括有机固体电解质和无机物质，所述有机固体电解质选自含有聚环氧乙烷(PEO)、聚环氧丙烷(PPO)、聚乙烯亚胺(PEI)、聚乙烯硫化物(PES)和聚醋酸乙烯酯(PVAc)的固体聚合物电解质，所述无机物质选自Li7La3Zr2O12(LLZO)、氧化铝(Al2O3)、二氧化硅(SiO2)、Li3x1La2/3-x1TiO3(LLTO)、Li1+x2Alx2Ti2-X2(PO4)3(LATP)、Li1+x3Alx3Ge2-X3(PO4)3(LAGP)、Li1.4Zn(GeO4)4、Li3N、Li3+yPO4-x4Nx4(LIPON)、Li3.6Si0.6P0.4O4或其组合，其中，0<x1<1，0<x2<1，0<x3<1，0<x4<4，0<y<3。或者，所述有机固体电解质选自含有聚环氧乙烷(PEO)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚偏二氟乙烯六氟丙烯共聚物(PVDF-HFP)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚丙烯腈(PAN)和聚醋酸乙烯酯(PVAc)的凝胶聚合物电解质。满足本申请上述范围的固体电解质，有利于提升电化学装置的电压使用窗口，通过采用快离子导体材料的无机物质且结合优异成膜特性、延展性的聚合物，能够提升高温和低温下的长循环性能。
在一些实施方式中，所述固体电解质包括聚环氧乙烷和Li7La3Zr2O12，聚环氧乙烷和Li7La3Zr2O12的质量比为(1:3)~(3:1)。通过选择合适的具有快速导通离子的无机物质且结合优异成膜特性、延展性的聚合物，使二者满足本申请的该范围，能够提升高温和低温下的长循环性能。
在一些实施方式中，所述固体电解质包括至少聚环氧乙烷、Al2O3和Li7La3Zr2O12三者中的至少一种，优选的，当三种物质都包括时，聚环氧乙烷、Al2O3和Li7La3Zr2O12的质量比例为(1~3):1:(1~3)。通过加入氧化铝，并选择合适的具有快速导通离子的无机物质且结合优异成膜特性、延展性的聚合物，使三者满足本申请的该范围，能够提升隔离膜的硬度和强度，且改善电化学装置在高温和低温下的长循环性能。
在一些实施方式中，所述电化学装置在线性循环伏安扫描法测试中，在4V~5V的电压窗口范围内存在最高的氧化峰，其中，扫描电压范围为3V~6V，扫描速率为0.5mV/s。
第三方面，本申请提供了一种电子设备，所述电子设备包括上述任一项的电化学装置。
本申请一些实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：
本申请第一方面提供的隔离膜在一定高温和高压条件前后具有合适的气阻度变化率，且无机涂层中选取了具有合适莫氏硬度的陶瓷颗粒，减少了因气体阻碍导致的离子迁移速率局部存在显著差异的现象，同时，本申请的隔离膜可以进一步减少因电解液分解产物堆积带来更多副反应的产生，同时其在高温工况下（130℃以上），能够及时减少正极和负极之间的反应，进而提升电化学装置的热箱测试通过率，并提升本申请第二方面提供的电化学装置和第三方面提供的电子装置在高温下过充安全性能。
具体实施方式
本申请的实施例将会被详细的描示在下文中。本申请的实施例不应该被解释为对本申请的限制。
如本申请所用，术语“包括”、“含有”和“包含”以其开放、非限制性含义使用。
另外，有时在本文中以范围格式呈现量、比率和其它数值。应理解，此类范围格式是用于便利及简洁起见，且应灵活地理解，不仅包含明确地指定为范围限制的数值，而且包含涵盖于所述范围内的所有个别数值或子范围，如同明确地指定每一数值及子范围一般。
在具体实施方式及权利要求书中，由术语“中的一者或多者”、“中的一个或多个”、“中的至少一种”或其他相似术语所连接的项目的列表可意味着所列项目的任何组合。例如，如果列出项目A及B，那么短语“A或B中的至少一种”意味着仅A；仅B；或A及B。在另一实例中，如果列出项目A、B及C，那么短语“A、B或C中的至少一种”意味着仅A；或仅B；仅C；A及B(排除C)；A及C(排除B)；B及C(排除A)；或A、B及C的全部。项目A可包含单个元件或多个元件。项目B可包含单个元件或多个元件。项目C可包含单个元件或多个元件。
隔离膜
本申请实施例第一方面提供一种隔离膜，所述隔离膜包括基膜和设置在所述基膜至少一侧表面的无机涂层，所述无机涂层中含有陶瓷颗粒，所述陶瓷颗粒的莫氏硬度为3~9.5，所述隔离膜在温度100℃、压力3.5MPa时加热压缩10分钟后的气阻度变化率≤30%。优选地，所述隔离膜在温度100℃、压力3.5MPa时加热压缩10分钟后的气阻度变化率≤18%。示例性地，所述陶瓷颗粒的莫氏硬度为3、4、5、6、7、8、9、9.5或上述任意两个值组成的范围。
在一些实施例中，所述陶瓷颗粒的D50粒径为50nm~400 nm。示例性地，所述陶瓷颗粒的D50粒径为50nm、60nm、80nm、120nm、150nm、180nm、200nm、250nm、280nm、300nm、350nm、400nm或上述任意两个值组成的范围。
在一些实施例中，所述隔离膜还包括聚合物涂层，所述聚合物涂层设置在所述无机涂层上，所述聚合物涂层中含有第一聚合物颗粒和第二聚合物颗粒，所述第一聚合物颗粒的熔点为65℃~100℃，所述第二聚合物颗粒的熔点为135℃~160℃。示例性地，所述第一聚合物颗粒的熔点为65℃、70℃、75℃、80℃、85℃、90℃、95℃、100℃或上述任意两个值组成的范围。示例性地，所述第二聚合物颗粒的熔点为135℃、140℃、145℃、150℃、155℃、160℃或上述任意两个值组成的范围。
在一些实施例中，所述第一聚合物颗粒的球形度为X，0.7≤X≤0.95，所述第二聚合物颗粒的球形度为Y，0≤(X-Y)≤0.2。示例性地，所述第一聚合物颗粒的球形度X为0.7、0.75、0.8、0.85、0.9、0.95或上述任意两个值组成的范围。示例性地，(X-Y)的值为0、0.001、0.01、0.05、0.1、0.15、0.2或上述任意两个值组成的范围。
在一些实施例中，所述第一聚合物的Dv50范围为1~1.8μm，所述第二聚合物的Dv50范围为1.2~2.3μm。示例性地，所述第一聚合物颗粒的Dv50为1μm、1.1μm、1.2μm、1.3μm、1.4μm、1.5μm、1.6μm、1.7μm、1.8μm或上述任意两个值组成的范围。所述第二聚合物颗粒的Dv50为1.2μm、1.3μm、1.4μm、1.5μm、1.6μm、1.7μm、1.8μm、1.9μm、2.0μm、2.1μm、2.2μm、2.3μm或上述任意两个值组成的范围。本申请中的Dv50表示以体积为基准的粒度分布中从小粒径侧开始达到累积体积的50%的粒径。
电化学装置
电化学装置包括正极极片、负极极片、隔离膜和固体电解质。
隔离膜为上述的隔离膜。
固体电解质包括有机固体电解质和无机物质，所述有机固体电解质选自含有聚环氧乙烷、聚环氧丙烷、聚乙烯亚胺、聚乙烯硫化物和聚醋酸乙烯酯的固体聚合物电解质；或者，所述有机固体电解质选自含有聚环氧乙烷、聚偏二氟乙烯、聚偏二氟乙烯六氟丙烯共聚物、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯腈和聚醋酸乙烯酯的凝胶聚合物电解质；所述无机物质选自Li7La3Zr2O12、Al2O3、SiO2、Li3x1La2/3-x1TiO3、Li1+x2Alx2Ti2-X2(PO4)3、Li1+x3Alx3Ge2-X3(PO4)3、Li1.4Zn(GeO4)4、Li3N、Li3+yPO4-x4Nx4、Li3.6Si0.6P0.4O4或其组合，其中，0<x1<1，0<x2<1，0<x3<1，0<x4<4，0<y<3。
在一些实施例中，所述固体电解质包括聚环氧乙烷和Li7La3Zr2O12，聚环氧乙烷和Li7La3Zr2O12的质量比为(1:3)~(3:1)。
在一些实施例中，所述固体电解质包括聚环氧乙烷、Al2O3和Li7La3Zr2O12，聚环氧乙烷、Al2O3和Li7La3Zr2O12的质量比例为(1~3):1:(1~3)。
负极极片可以包括负极集流体和设置在负极集流体上的负极活性材料层。负极活性材料层可以设置在负极集流体的一侧或两侧上。在一些实施例中，负极集流体可以采用铜箔、镍箔或碳基集流体中的至少一种。在一些实施例中，负极集流体的厚度可以为1μm至200μm。在一些实施例中，负极活性材料层可以仅涂覆在负极集流体的部分区域上。在一些实施例中，负极活性材料层的厚度可以为10μm至500μm。应该理解，这些仅是示例性的，可以采用其他合适的厚度。
在一些实施例中，如上所述，负极活性材料层包括负极活性材料。在一些实施例中，负极活性材料包括天然石墨、人造石墨或硅基材料中的至少一种。在一些实施例中，硅基材料包括硅、硅氧化合物、硅碳化合物或硅合金中的至少一种。
在一些实施例中，负极活性材料层中还可以包括负极导电剂和/或负极粘结剂。负极导电剂可以包括炭黑、乙炔黑、科琴黑、石墨烯、碳纳米管或碳纤维中的至少一种。在一些实施例中，负极粘结剂可以包括羧甲基纤维素（CMC）、聚丙烯酸、聚丙烯酸盐、聚丙烯酸酯、聚乙烯基吡咯烷酮、聚酰亚胺、聚硅氧烷或丁苯橡胶中的至少一种。应该理解，以上公开的材料仅是示例性，负极活性材料层可以采用任何其他合适的材料。在一些实施例中，负极活性材料层中的负极活性材料、负极导电剂和负极粘结剂的质量比可以为（80~99）:（0.5~10）:（0.5~10），应该理解，这仅是示例性的，而不用于限制本申请。
正极极片包括正极集流体和设置在正极集流体上的正极活性材料层。正极活性材料层可以位于正极集流体一侧或两侧上。在一些实施例中，正极集流体可以采用铝箔，当然，也可以采用本领域常用的其他正极集流体。在一些实施例中，正极集流体的厚度可以为1μm至200μm。在一些实施例中，正极活性材料层可以仅涂覆在正极集流体的部分区域上。在一些实施例中，正极活性材料层的厚度可以为10μm至500μm。应该理解，这些仅是示例性的，可以采用其他合适的厚度。
在一些实施例中，如上所述，正极活性材料层包括正极活性材料。在一些实施例中，正极活性材料可以包括钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、磷酸锰铁锂、镍钴锰酸锂、镍钴铝酸锂或镍锰酸锂中的至少一种，上述正极活性材料可以经过掺杂和/或包覆处理。
在一些实施例中，正极材料表面包括磷酸锂和/或铌酸锂，两种的质量比为1:5-1:1，覆盖层的厚度为1-2 μm。
在一些实施例中，正极活性材料层还包括正极粘结剂和正极导电剂。在一些实施例中，正极粘结剂可以包括聚偏氟乙烯、偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物、苯乙烯-丙烯酸酯共聚物、苯乙烯-丁二烯共聚物、聚酰胺、聚丙烯腈、聚丙烯酸酯、聚丙烯酸、聚丙烯酸盐、羧甲基纤维素钠、聚醋酸乙烯酯、聚乙烯呲咯烷酮、聚乙烯醚、聚四氟乙烯或聚六氟丙烯中的至少一种。在一些实施例中，正极导电剂可以包括导电炭黑、乙炔黑、科琴黑、石墨烯、碳纳米管或碳纤维中的至少一种。
电化学装置可以按照本领域常规方法制备。示例性地，将上述正极极片、隔离膜及负极极片按顺序堆叠好，使隔离膜处于正极极片与负极极片之间起到隔离的作用，得到电极组件，也可以是经卷绕后得到电极组件；将电极组件置于包装外壳中，注入电解液并封口，得到电化学装置。
本申请的电化学装置可以包括发生电化学反应的任何装置，特别地，该电化学装置是锂二次电池，包括锂金属二次电池、锂离子二次电池、锂聚合物二次电池或锂离子聚合物二次电池。
电子设备
本申请实施例的电子设备没有特别限定，其可以是用于现有技术中已知的任何电子设备。在一些实施例中，电子设备可以包括，但不限于，笔记本电脑、笔输入型计算机、移动电脑、电子书播放器、便携式电话、便携式传真机、便携式复印机、便携式打印机、头戴式立体声耳机、录像机、液晶电视、手提式清洁器、便携CD机、迷你光盘、收发机、电子记事本、计算器、存储卡、便携式录音机、收音机、备用电源、电机、汽车、摩托车、助力自行车、自行车、照明器具、玩具、游戏机、钟表、电动工具、闪光灯、照相机、家庭用大型蓄电池和锂离子电容器等。
下面列举了一些具体实施例和对比例以更好地对本申请进行说明，其中，采用锂离子电池作为示例。
示例
无机涂层的示例性制备方法：将体积平均粒径Dv50为50nm~400nm的陶瓷颗粒与粘结剂聚丙烯酸酯按照质量比90:10分散在去离子水中形成固含量为45%~50%的无机涂层浆料，采用微凹涂布法将无机涂层浆料均匀涂布在厚度为8μm~10μm的PE多孔基材的其中一面上，在烘箱中干燥后得到无机涂层。无机涂层的厚度为2~4μm。
聚合物涂层的示例性制备方法：将第一聚合物颗粒和第二聚合物颗粒加入搅拌器中，搅拌均匀；将羧甲基纤维素钠加入搅拌器中，搅拌均匀；将润湿剂二甲基硅氧烷加入搅拌器中，然后加入去离子水搅拌，调整浆料的粘度为40 mPa•s ~45mPa•s、固含量为5%~8%的第一涂层浆料。将第一涂层浆料均匀涂布无机涂层上，在烘箱中干燥后，得到第一涂层。第一涂层的厚度为2~4μm。
实施例1-1
<锂离子电池的制备>
正极极片的制备
将磷酸铁锂、正极导电剂乙炔黑、正极粘结剂聚偏氟乙烯(PVDF)按质量比85：7：8混合加入到N-甲基吡咯烷酮中，搅拌，调配成固含量为75wt%的正极浆料。将正极浆料均匀涂覆在厚度为13μm的正极集流体铝箔的一个表面上，85℃条件下烘干，得到单面涂布正极合剂层的正极极片，在正极集流体铝箔的另一侧表面重复上述步骤，得到双面涂覆有正极活性材料层的正极极片，然后经过冷压、裁片、分切后，在85℃的真空条件下干燥4小时，得到规格为74mm×867mm的正极极片。
负极极片的制备
称取负极活性物质(粒径为12μm的人造石墨)100g、导电剂(炭黑)1g、粘结剂(丁苯橡胶，SBR)4g加入到2.8g的N-甲基吡咯烷酮中和108g水中形成负极浆料，负极浆料的固含量为75wt%。将负极浆料均匀涂覆于13μm负极集流体铜箔的一侧表面上，在120℃下烘干，得到单面涂覆有厚度为85μm的负极活性材料层的负极极片，在负极集流体铜箔的另一侧表面重复上述步骤，得到双面涂覆有负极活性材料层的负极极片，然后经过冷压、裁片、分切后，得到规格为76mm×851mm的负极极片。
固体电解质的制备
在充满氩气的手套箱中，称取质量比为1:4的PEO基体和LLZO粉末，锂盐与PEO摩尔比为1:12的双三氟甲烷磺酰亚胺锂(LiTFSI)，室温下搅拌成均一溶液，将该均一溶液定量倒入聚四氟乙烯的模具中，在60℃的氩气气氛下干燥得到固体电解质。
隔离膜的制备
选用8μm厚的聚乙烯（PE）微多孔膜作为基膜。
无机涂层的制备：将体积平均粒径Dv50为50nm的勃姆石(陶瓷颗粒)与粘结剂聚丙烯酸酯按照质量比90:10分散在去离子水中形成固含量为45%的无机涂层浆料，采用微凹涂布法将无机涂层浆料均匀涂布在厚度为8μm的PE多孔基材的其中一面上，在烘箱中干燥后得到含有无机涂层的隔离膜。无机涂层的厚度为2μm。
锂离子电池的制备
本申请的二次电池的制备过程为本领域技术人员所熟知的，本申请没有特别的限制，例如，可以包括但不限于以下步骤：将正极极片、复合电解质膜和负极极片按顺序堆叠，并根据需要将其卷绕、折叠等操作得到卷绕结构的电极组件，将电极组件放入包装袋内，将电解液注入包装袋并封口，得到二次电池；或者，将正极极片、复合电解质膜和负极极片按顺序堆叠，然后用胶带将整个叠片结构的四个角固定好得到叠片结构的电极组件，将电极组件置入包装袋内，将电解液注入包装袋并封口，得到二次电池。此外，也可以根据需要将防过电流元件、导板等置于包装袋中，从而防止二次电池内部的压力上升、过充放电。其中，包装袋为本领域已知的包装袋，本申请对此不作限定。
<锂离子电池的性能测试>
（1）低温（-15℃）性能测试：
通过以下步骤对各实施例和对比例的锂离子电池重复进行充电和放电，并计算锂离子电池的放电容量保持率。
在-15℃的环境中，进行第一次充电和放电，在2C的充电电流下进行恒流充电到满充电压3.8V，然后在最大电压下进行恒压充电，直到电流为0.02C，然后在0.5C的放电电流下进行恒流放电，直到最终电压为2.0V，记录首次循环的放电容量；之后重复上述步骤进行400次的充电和放电循环，记录第400次循环的放电容量。
循环容量保持率=(第400次循环的放电容量/首次循环的放电容量)×100%。
（2）4.5C 5V 70℃过充测试：
将电池在25℃下以0.5C放电至2.0V，在以3.5C恒流充电至5V，再恒压充电3h，监控电芯表面温度变化(通过标准为电芯不起火、不燃烧、不爆炸)，每个实施例用十个样品进行测试。
（3）热箱测试：
将各实施例和各对比例中的锂离子电池，在常温下以0.5C倍率恒定电流充电至满充电压3.8V，在3.8V恒定电压下继续充电至截止电流0.05C，使其处于满充状态，检查外观，确保锂离子电池处于正常可使用状态。将满充后的电池放入烘箱中，以5℃/min速率升温，直到升到指定热箱测试温度140℃，恒温一个小时，在此过程中观察电池的状态，每个实施例采用5个样品进行测试。
判断标准：电池不起火，不爆炸。
热箱测试通过率=热箱测试通过数/总数。
（4）40℃充放电性能测试：
通过以下步骤对各实施例和对比例的锂离子电池重复进行充电和放电，并计算锂离子电池的放电容量保持率。
在40℃的环境中，进行第一次充电和放电，在2C的充电电流下进行恒流充电到满充电压3.8V，然后在最大电压下进行恒压充电，直到电流为0.02C，然后在0.5C的放电电流下进行恒流放电，直到最终电压为2.0V，记录首次循环的放电容量；之后重复上述步骤进行500次的充电和放电循环，记录第500次循环的放电容量。
循环容量保持率=(第500次循环的放电容量/首次循环的放电容量)×100%。
（5）气阻度测试
使用TESTER产业株式会社制的Gurley式透气度试验机B型，将隔离膜无褶皱地固定在夹板与转接板之间，并按照JISP8117方法实施测定。将试样制成10cm2，测定点为试样的中央部与4角共计5处，使用其平均值作为气阻度。另外，试样的一边的长度小于10cm时，也可使用以5cm间隔测定5处的值。
根据下式计算气阻度的上升幅度。
气阻度的上升幅度＝(A)－(B) sec/100ccAir；
隔离膜的气阻度(B) sec/100ccAir；
隔膜的气阻度(A) sec/100ccAir。
（6）浮充性能测试
将锂离子电池置于25℃恒温箱中，静置30分钟，使锂离子电池达到恒温。以1C恒流充电至电压为3.8V，恒压充电至电流为0.05C，然后用1C恒流放电至电压为2.0V，记录放电容量，作为锂离子电池初始容量；
之后以0.5C恒流充电至电压为3.8V，恒压充电至电流为0 .05C，用千分尺测试并记录电池的厚度为初始厚度。将测试锂离子电池转移至45℃恒温箱中，再3.8V恒压充电60天，60天后将电池转移至25℃恒温箱中，静置60分钟，以1C恒流放电至电压为2.0V，记录放电容量，作为锂离子电池存储后放电容量；
然后以1C恒流充电至电压为3.8V，恒压充电至电流为0.05C，然后用1C恒流放电至2.0V，记录放电容量，作为锂离子电池可恢复容量，测量锂离子电池的厚度，作为浮充后厚度。
浮充厚度膨胀率＝(浮充后厚度-初始厚度)/初始厚度×100％；
浮充容量保持率＝(初始放电容量-可恢复容量)/初始放电容量×100％。
（7）隔离膜穿刺强度测试
穿刺强度按ASTM D4833-00e1的要求进行测试，其中，针头形状为Ф＝1.0mm的半球，针头运行速度为1mm/s，测量五次结果取均值。
（8）LSV 线性循环伏安测试：
组装电池进行电化学线性扫描电压(linear sweep voltage，LSV)测试，线性扫描电位范围为3V到6V，扫描速率为0.5 mV/s。
（9）动摩擦系数测试：
根据JIS K7125的要求测定动摩擦系数。
实施例1-2至实施例1-14以及对比例1-1至对比例1-7，除了按照表1调整相关参数以外，其余与实施例1-1相同。
实施例2-0至实施例2-28与实施例1-1相比，区别在于：
实施例2-0至实施例2-28在实施例1-1的含有无机涂层的隔离膜的表面进一步制备聚合物涂层。示例性地，实施例2-0制备方法为：将熔点为65℃的第一聚合物颗粒(以丙烯为基础单体的聚合物颗粒，Dv50为1μm)和熔点为145℃的第二聚合物颗粒(以偏氟乙烯为基础单体的聚合物颗粒，Dv50为1.2μm)加入搅拌器中，搅拌均匀；将羧甲基纤维素钠加入搅拌器中，搅拌均匀；将润湿剂二甲基硅氧烷加入搅拌器中，然后加入去离子水搅拌，调整浆料的粘度为40mPa•s、固含量为7%，得到第一涂层浆料。将第一涂层浆料均匀涂布无机涂层上，在烘箱中干燥后，得到第一涂层。第一涂层浆料的涂布重量为1.2mg/5000mm2。第一涂层的厚度为2μm，第一聚合物、第二聚合物、羧甲基纤维素钠、二甲基硅氧烷的质量比为75:18:2:5，第一聚合物的球形度为0.7。实施例2-1至实施例2-28的制备方法可参照实施例2-0的制备方法，制备参数见表2。
实施例3-1至实施例3-25与实施例1-1的区别在于，除了按照表3调整相关制备参数以外，其余与实施例1-1相同。
表1
结合表1，对比例1-1至对比例1-2和实施例1-1相比，可以看出，将具有合适粒径以及莫氏硬度的陶瓷颗粒添加至隔离膜的无极涂层的制备中，制备得到的隔离膜在温度100℃、压力3.5MPa时加热压缩10分钟后的气阻度变化率≤30%，利于提升锂离子电池的热箱测试通过率，而且还可以提升锂离子电池在高温下的过充测试通过率。
特别地，进一步调整陶瓷颗粒的莫氏硬度以及D50粒径合适，实现提升锂离子电池热箱测试通过率的效果更好，锂离子电池在高温下的过充安全性能也表现更优异。而当制备得到的隔离膜不满足在本申请限定的温度、压力或时间下满足气阻度变化范围≤30%，则不利于提升锂离子电池的热箱测试通过率，也不利于提升锂离子电池在高温下的过充测试通过率。
表2
结合表2可以看出，当聚合物涂层具有上述的两种不同熔点的物质时，可以提升锂离子电池的浮充容量保持率，降低电化学装置的浮充容量膨胀率。尤其是，当进一步限定聚合物颗粒的球形度，改善锂离子电池浮充性能的效果更优。当隔离膜的动摩擦系数满足本申请的范围时，可以使得隔离膜具有合适且优异的耐穿刺强度，当动摩擦系数过大/过小，则均会使得电化学装置或电子装置的充放电性能变差，降低电化学装置或电子装置的浮充容量保持率，使得电化学装置或电子装置的浮充容量膨胀率变高。
表3
结合表3可以看出，当电解液为固体电解质且固体电解质中含有上述的有机固体电解质和无机物质时，有利于提高锂离子电池的电压窗口，且有机固体电解质和无机物质的比值在合适范围，能够进一步提升锂离子电池的电压窗口，使得电化学装置在高温和高电压的使用场景下也能够具有优异的循环性能。
以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (13)
1.一种隔离膜，其特征在于，所述隔离膜包括基膜和设置在所述基膜至少一侧表面的无机涂层；
所述无机涂层中含有陶瓷颗粒，所述陶瓷颗粒的莫氏硬度为3~9.5；
所述隔离膜在温度100℃、压力3.5MPa时加热压缩10分钟后的气阻度变化率≤30%。
2.根据权利要求1所述的隔离膜，其特征在于，满足以下条件中的至少一者：
（1）所述陶瓷颗粒的莫氏硬度为6~9.5；
（2）所述陶瓷颗粒的D50粒径为50nm~400nm；
（3）所述隔离膜在温度100℃、压力3.5MPa时加热压缩10分钟后的气阻度变化率≤18%。
3.根据权利要求1或2所述的隔离膜，其特征在于，所述隔离膜还包括聚合物涂层，所述聚合物涂层设置在所述无机涂层上；
所述聚合物涂层中含有第一聚合物颗粒和第二聚合物颗粒，所述第一聚合物颗粒的熔点为65℃~100℃，所述第二聚合物颗粒的熔点为135℃~160℃。
4.根据权利要求3所述的隔离膜，其特征在于，所述第一聚合物颗粒的球形度为X，0.7≤X≤0.95；
所述第二聚合物颗粒的球形度为Y，0≤(X-Y)≤0.2。
5.根据权利要求1所述的隔离膜，其特征在于，所述隔离膜的动摩擦系数为0.1~0.28。
6.根据权利要求3所述的隔离膜，其特征在于，所述第一聚合物的Dv50范围为1μm~1.8μm，所述第二聚合物的Dv50范围为1.2μm~2.3μm。
7.一种电化学装置，其特征在于，所述电化学装置包括固体电解质和权利要求1~6任一项所述的隔离膜。
8.根据权利要求7所述的电化学装置，其特征在于，所述固体电解质包括有机固体电解质和无机物质；
所述有机固体电解质选自含有聚环氧乙烷、聚环氧丙烷、聚乙烯亚胺、聚乙烯硫化物和聚醋酸乙烯酯的固体聚合物电解质；或者，
所述有机固体电解质选自含有聚环氧乙烷、聚偏二氟乙烯、聚偏二氟乙烯六氟丙烯共聚物、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯腈和聚醋酸乙烯酯的凝胶聚合物电解质；
所述无机物质选自Li7La3Zr2O12、Al2O3、SiO2、Li3x1La2/3-x1TiO3、Li1+x2Alx2Ti2-X2(PO4)3、Li1+x3Alx3Ge2-X3(PO4)3、Li1.4Zn(GeO4)4、Li3N、Li3+yPO4-x4Nx4、Li3.6Si0.6P0.4O4或其组合；
其中，0<x1<1，0<x2<1，0<x3<1，0<x4<4，0<y<3。
9.根据权利要求8所述的电化学装置，其特征在于，所述固体电解质包括聚环氧乙烷和Li7La3Zr2O12；
聚环氧乙烷和Li7La3Zr2O12的质量比为(1:3)~(3:1)。
10.根据权利要求8所述的电化学装置，其特征在于，所述固体电解质包括聚环氧乙烷、Al2O3和Li7La3Zr2O12三者中的至少一种。
11.根据权利要求10所述的电化学装置，其特征在于，所述聚环氧乙烷、所述Al2O3和所述Li7La3Zr2O12的质量比例为(1~3):1:(1~3)。
12.根据权利要求7~11任一项所述的电化学装置，其特征在于，所述电化学装置在线性循环伏安扫描法测试中，在4V~5V的电压窗口范围内存在最高的氧化峰；
其中，扫描电压范围为3V~6V，扫描速率为0.5mV/s。
13.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括权利要求7~12任一项所述的电化学装置。
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- 2024-03-12 CN CN202410276832.XA patent/CN117895188A/zh active Pending
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