CN1567614A - 一种锂二次电池隔离膜及使用该隔离膜的锂二次电池 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种锂二次电池隔离膜。该锂二次电池隔离膜至少包括一强吸水材料－高分子复合材料层，其中强吸水材料优选为分子筛。强吸水材料能完全吸附锂二次电池制程中残留及使用时水分子气透性渗入的水分，防止锂离子电池中毒或锂金属与水反应，从而提高锂二次电池使用寿命。另外，强吸水材料与高分子材料适当结合，能增加隔离膜机械强度，减少锂二次电池在辗压制程中电极穿插现象或多次充放电后锂金属针状物产生导致的电极穿插现象，从而提高锂二次电池安全性。本发明还涉及一种使用该隔离膜的锂二次电池。

Description

一种锂二次电池隔离膜及使用该隔离膜的锂二次电池

【技术领域】

本发明涉及锂二次电池，尤其涉及一种锂二次电池隔离膜及使用该隔离膜的锂二次电池。

【背景技术】

锂二次电池由于其具有高能量密度、高电动势和低自放电等优良特性，已被广泛应用于移动电话、笔记本电脑等消费性电子产品中。

所述锂二次电池包括锂金属二次电池、锂离子电池和高分子锂电池。锂金属二次电池是以金属锂或锂合金或含锂化合物为负极材料，以过渡金属化合物(如V₆O₁₃，MoS₂，V₂O₅，TiO₂，MnO₂)作为正极活性物质，无水有机溶剂作为电解液，电池反应能可逆进行的一类电池的总称；锂离子电池是在锂金属二次电池技术的技术上发展起来的一种全新概念的二次电池，该类电池以人造石墨或天然石墨等碳材料作为负极，以锂钴、锂镍、锂锰等金属氧化物作为正极材料，以无水有机溶剂作为电解液。高分子锂电池包括两类，一类是电极为高分子材料的锂离子电池，另一类是电解液为固态或胶态聚合物的锂离子电池。

锂二次电池都采用无水有机溶剂或有机聚合物作为电解液，要求电池内部不含水分子，因为锂金属具有高的化学活泼性，锂金属与水接触会发生剧烈的化学反应，引起电池爆炸；另外，水分子与电解液反应，导致锂二次电池的毒化，降低锂二次电池的使用寿命。

因此在电池的制作过程中，需严格控制空气中的相对湿度小于0.04％(即Dew point＝-56℃)。但是控制空气中的相对湿度小于0.04％需要高的成本，且仍然无法避免制备过程中残留一定量的水分子。另外，锂二次电池在长期使用后，也无法避免水分子气渗透，导致电池功能丧失或电池安全性问题。

【发明内容】

本发明的目的是提供一种具强吸水性的锂二次电池隔离膜。

本发明的另一目的是提供一种含有上述隔离膜的锂二次电池。

本发明提供一种锂二次电池隔离膜，其中该隔离膜至少包括一强吸水材料-高分子复合材料层，该层以高分子材料为骨架，强吸水材料具有露点低于-56℃的强吸水性，粒度范围为10纳米～10微米，分散于高分子材料中，高分子材料与强吸水材料的重量比为1∶4～3∶4。强吸水材料包括分子筛等，高分子材料为有机聚合物。

本发明还提供一种含有上述隔离膜的锂二次电池。

本发明提供的隔离膜具有以下优点：强吸水材料添加在隔离膜中，能完全吸附锂二次电池制程中残留或使用时渗入的水分，降低电池制备成本，防止电池使用过程中锂离子电池中毒或锂金属二次电池中锂金属与水发生剧烈反应，从而延长锂二次电池的使用寿命。另外，强吸水材料掺杂在高分子材料中，能增强隔离膜机械强度，可减少锂二次电池辗压制程中电极穿插现象或多次充放电后锂金属针状物产生导致的电极穿插现象，从而提高锂二次电池安全性。

【附图说明】

图1是本发明第一实施例锂二次电池隔离膜结构示意图。

图2是本发明第一实施例锂二次电池内部结构示意图。

图3是本发明第二实施例锂二次电池隔离膜结构示意图。

图4是本发明第二实施例锂二次电池内部结构示意图。

图5是本发明第三实施例锂二次电池隔离膜结构示意图。

图6是本发明第三实施例锂二次电池内部结构示意图。

【具体实施方式】

如图1所示，本发明第一实施例的锂二次电池隔离膜124包括一强吸水材料-高分子复合材料层，该层以高分子材料12为骨架，强吸水材料具有露点低于-56℃的强吸水性，粒度范围为10纳米～10微米，分散于高分子材料中，高分子材料12与强吸水材料的重量比为1∶4～3∶4。强吸水材料包括分子筛11，分子筛11可以为沸石分子筛、碳分子筛，但不限于此，具有强吸水性即可，优选为3A分子筛。高分子材料12为有机聚合物，如聚乙烯、聚丙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氯乙烯、聚乙二醇二丙烯酸酯、聚乙烯咯烷酮、聚偏二氟乙烯其中一种或多种的混合物，但不限于此。

本发明的锂二次电池隔离膜124的制备可以采用任何公众已知制备锂二次电池隔离膜的方法。具体而言，该隔离膜的制备方法包括以下步骤：

首先提供制备隔离膜用的高分子材料12及分子筛11，并将分子筛进行物理性微细化，使其粒径在10纳米～10微米范围内。

其次将高分子材料12溶解于有机溶剂。有机溶剂为丙酮，但不限于此。高分子材料在溶液中的质量浓度为5～40％。

然后向溶液中加入分子筛11。高分子材料12与分子筛11在溶液中的重量比为1∶4～3∶4。该溶液经过充分混合后成为均匀浆体。

再将浆体涂在聚酯膜基片上成为湿薄膜。将湿薄膜于120℃下干燥15分钟，再将薄膜于干燥环境中浸泡于电解液中30秒钟后取出，用滤纸吸去膜表面的液体。

如图所示，本发明第一实施例的锂二次电池120包括壳体121、正极122、负极123、有机电解液(图未标示)及本发明所提供的隔离膜124。

正极122的材质主要有过渡金属氧化物或硫化物，优选为锂锰、锂镍、锂钴或锂钒氧化物。

负极123对于锂离子电池和高分子锂电池主要有碳材料，包括石墨、碳粉、碳纤维或碳纳米管。另外，某些过渡金属或其氧化物也可选用，如锡及其氧化物。锂金属二次电池的负极为锂或锂合金。

有机电解液包括碳酸异丙烯酯、碳酸亚乙酯、碳酸亚丁酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯、1，2-二甲氧基乙烷或其混合物。

电池壳体121包括金属、合金或塑料。

本发明的锂二次电池可具有任何形状，如圆柱状、棱柱状、片状或钮扣状。

本发明的锂二次电池的制备可采用任何公众已知的制备锂二次电池的方法。具体而言，一种常用的方法包括于壳体121内放置通过隔离膜124耦合的正极122和负极123，随后往其中注入电解质并将其密封。优选真空注射作为注射电解质的方法，但对其无特别限制。亦可将耦合的电极122、123在置于壳体121内之前用电解质溶液进行浸渍。

本发明第二实施例提供一种具有双层结构的隔离膜224和使用该双层结构隔离膜的锂二次电池220。第二实施例与第一实施例不同之处在于该隔离膜224还包括一低熔点有机聚合物层13，该有机聚合物层13形成于强吸水材料-高分子复合材料层的一表面。有机聚合物优选为聚乙烯。

本发明第三实施例提供一种具有三层结构的隔离膜324和使用该三层结构隔离膜的锂二次电池320。第三实施例与第一实施例不同之处在于隔离膜324为三层结构，包括一层不含强吸水材料的多孔低熔点有机聚合物膜13和一对强吸水材料-高分子复合材料膜，不含强吸水材料的多孔低熔点有机聚合物膜13位于一对强吸水材料-高分子复合材料膜之间。其中多孔低熔点有机聚合物膜13优选为聚乙烯多孔膜，当电池使用温度超过110℃时该多孔膜融化，堵住隔离膜孔，关断电池正负极之间通路，防止电池内部短路。

对于强吸水材料，本发明实施例均采用分子筛予以详细说明，但本领域技术人员应当知道，强吸水材料并不限于分子筛，具有强吸水性的硅胶微粒或氧化铝粉体等材料均可取代硅胶应用于本发明当中。

本发明提供的隔离膜具有以下优点：强吸水材料添加于隔离膜中，能完全吸附锂二次电池制程中残留或使用时渗入的水分，降低电池制备成本，防止电池使用过程中锂离子电池中毒或锂金属二次电池中锂金属与水发生剧烈反应，从而延长锂二次电池的使用寿命。另外，强吸水材料掺杂于高分子材料中，能增强隔离膜机械强度，可减少锂二次电池辗压制程中电极穿插现象或多次充放电后锂金属针状物产生导致的电极穿插现象，从而提高锂二次电池安全性。

Claims (11)

1.一种锂二次电池隔离膜，其特征在于该隔离膜至少包括一强吸水材料-高分子复合材料层，该层以高分子材料为骨架，强吸水材料分散于高分子材料中。

2.如权利要求1所述的锂二次电池隔离膜，其特征在于强吸水材料具有露点低于-56℃的强吸水性。

3.如权利要求4所述的锂二次电池隔离膜，其特征在于强吸水材料粒径范围为10纳米～10微米。

4.如权利要求1所述的锂二次电池隔离膜，其特征在于强吸水材料优选为分子筛。

5.如权利要求4所述的锂二次电池隔离膜，其特征在于分子筛包括沸石分子筛或碳分子筛。

6.如权利要求4所述的锂二次电池隔离膜，其特征在于分子筛优选为3A分子筛。

7.如权利要求1所述的锂二次电池隔离膜，其特征在于强吸水材料-高分子复合材料层中的高分子材料包括聚乙烯、聚丙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氯乙烯、聚乙二醇二丙烯酸酯、聚乙烯咯烷酮、聚偏二氟乙烯中一种或多种的混合物。

8.如权利要求1所述的锂二次电池隔离膜，其特征在于强吸水材料-高分子复合材料层中高分子材料与强吸水材料的重量比为1∶4～3∶4。

9.如权利要求1所述的锂二次电池隔离膜，其特征在于强吸水材料-高分子复合材料层之一表面形成一低熔点有机聚合物层。

10.如权利要求1所述的锂二次电池隔离膜，其特征在于该隔离膜包括一对强吸水材料-高分子复合材料层及一低熔点有机聚合物层，低熔点有机聚合物层位于一对强吸水材料-高分子复合材料层之间。

11.一种锂二次电池，包括壳体以及置于壳体内的正极、负极、有机电解质溶液和隔离膜，其特征在于该隔离膜至少包括一强吸水材料-高分子复合材料层。

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