CN206210904U - 一种锂离子电池隔离膜 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于锂离子电池技术领域，尤其涉及一种锂离子电池隔离膜，包括隔离膜基体和设于隔离膜基体两侧的陶瓷涂层，还包括设置于隔离膜基体与陶瓷涂层之间的PTC材料层；隔离膜还设有若干贯穿隔离膜基体、PTC材料层和陶瓷涂层的纳米孔道，纳米孔道的孔径大小为0.01~10nm，PTC材料层和陶瓷涂层的厚度均为0.01～5μm。当采用本实用新型的电池发生热失控时，PTC材料熔化并关闭隔离膜基体的孔以阻止电化学反应的进行；当发生锂枝晶时，陶瓷涂层的存在可抑制电池的正极和负极之间的短路，从而提高电池的安全性；而纳米孔道的设置，则有利于提高锂离子的传输效率，从而有效提高锂离子电池的循环性能和充放电倍率性能。

Description

一种锂离子电池隔离膜

技术领域

本实用新型属于锂离子电池技术领域，尤其涉及一种锂离子电池隔离膜。

背景技术

近年来，随着能源的枯竭和人们对环保的要求，电动汽车产业方面的发展日益迅速。锂离子电池因其高能量密度和长循环寿命等特点，目前已成为电动汽车用动力能源的首选。但作为动力汽车的关键组成部分，锂离子电池的安全性问题一直是动力汽车的一大障碍，因此锂离子电池的安全问题备受人们关注。

锂离子电池一般由电池壳体、电解液和裸电芯等组成。裸电芯由隔膜、正极片和负极片通过卷绕或者叠片的方式组装而成。现有的正、负极片一般是由正极或负极活性物质分别和导电剂及粘结剂等混合均匀后，涂布在隔离膜基体上，经过烘干、辊压等工序制作而成；而隔离膜则一般采用聚烯烃隔膜，如聚乙烯、聚丙烯等。由于锂离子电池所使用的电极材料电化学反应活性较高，且电解液中含有大量易燃的有机溶剂，电池在使用过程中容易发生因过充、短路、挤压等引起的电池起火或爆炸。

关于电池安全问题，业界技术人员也作了许多的研究，除了在电池外部管理系统做了一系列研究工作之外，对电池内部也有研究，主要体现在两个方面：首先往电解液里加入防过充添加剂或阻燃添加剂等；其次在电池中设置PTC电阻元件（正温度系数热敏电阻）与电池串联，利用PTC元件随温度增加电阻突变的特点来减小甚至切断回路中的电流来起到保护电池的目的。然而，由于现有技术中一般是将PTC元件置于电池外部，因此其技术效果大多体现在改善过充，利用PTC元件电阻突然增大来切断电流防止过充继续发生；然而当电池发生内短路，如进行针刺、挤压等测试时，那些PTC元件就不能及时或者无法起到保护作用。

此外，现有技术中也有含PTC涂层的隔离膜，其将PTC涂层涂覆在隔离膜基体上，在电池的内部发生热失控时，构成所述PTC涂层的低熔点PTC材料熔化并关闭隔离膜基体的孔以阻止电化学反应进一步进行。这样的设置虽然能够在一定程度上起到提高电池的安全性能的作用，然而由于其涂覆在隔离膜基体之上，相当于一层保护膜包覆在隔离膜基体的外表面，这将大大降低锂离子在隔离膜中的穿梭效率，从而影响锂离子在正负极之间的传输速度，导致锂离子电池循环性能和充放电倍率性能变差。此外，该种隔离膜的机械强度较低，当电池负极发生锂枝晶时，很容易将隔离膜刺破，造成电池内部短路，引发安全问题。

有鉴于此，确有必要提供一种具有高导离子性能，高机械强度和高安全性能的隔离膜，以保证锂离子电池的品质。

实用新型内容

本实用新型的目的在于：针对现有技术的不足，而提供一种具有高导离子性能，高机械强度和高安全性能的隔离膜。

为了实现上述目的，本实用新型所采用如下技术方案：

一种锂离子电池隔离膜，包括隔离膜基体和设置于隔离膜基体两侧的陶瓷涂层，还包括设置于所述隔离膜基体与所述陶瓷涂层之间的PTC材料层，所述PTC材料层由粘结剂和PTC材料混合制成；所述隔离膜还设置有若干贯穿所述隔离膜基体、所述PTC材料层和所述陶瓷涂层的纳米孔道，所述纳米孔道的孔径大小为0.01~10nm，所述PTC材料层和所述陶瓷涂层的厚度均为0.01～5μm。

其中，所述PTC材料可为有机聚合物复合PTC材料或无机金属氧化物PTC材料中的至少一种。优选的，有机聚合物复合PTC材料可为聚乙烯与乙炔黑复合物。优选的，无机金属氧化物PTC 材料可为稀土元素钇掺杂的三氧化二钒。在此需要说明的是，所述PTC材料均为可以商购的公知材料。所述陶瓷涂层包括陶瓷颗粒和粘结剂，所述陶瓷颗粒可为氧化铝、氧化镁、氧化钙、氧化锌、氧化硅和氧化锆中的一种或多种，所述粘结剂可为聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯和丁苯橡胶中的一种或多种。

本实用新型的作用原理为：由于PTC 材料是一种典型的具有温度敏感性的材料，超过一定的温度（熔化温度）时，PTC材料熔化并关闭所述隔离膜基体的孔以阻止电化学反应进一步进行。此外，即使当电池热失控或发生锂枝晶导致隔离膜基体的破坏时，陶瓷涂层的存在仍可抑制电池的正极和负极之间的短路，从而提高电池的安全性。而若干贯穿整个隔离膜的纳米孔道的设置，则有利于锂离子在隔离膜中的穿梭，并为流通的离子提供了距离更短的运动通道，使得离子的流动更为通畅，离子的自由流动性得到提升；从而有效提高锂离子电池的循环性能和充放电倍率性能。

其中，当纳米孔道的孔径小于0.01nm时，由于孔径过小而不利于锂离子的穿梭，降低锂离子的传输速度；当纳米孔道的孔径大于10nm时，由于孔径过大而影响隔离膜的结构稳定性，造成安全隐患。需要说明的是，该纳米孔道由于较微细，因此并不会导致正负极间发生接触短路。

当PTC材料层和陶瓷涂层的厚度低于0.01μm时，由于其不能足够覆盖对应的隔离膜基体，在达到熔化温度时不能起到完整的隔绝作用；而当PTC材料层和陶瓷涂层的厚度超过5μm时，将影响电池的能量密度，并造成材料浪费。

优选的，所述纳米孔道的形状呈“S”字形。

优选的，所述PTC材料层和所述陶瓷涂层的厚度均为0.1～1μm。

优选的，所述纳米孔道的孔径大小为0.01~1nm。

优选的，所述纳米孔道的孔隙率为20~50%，更优选为40~50%。孔隙率过低，不利于锂离子的穿梭；孔隙率过高，会影响隔离膜的结构稳定性。

优选的，所述PTC材料层的涂覆面积大于或等于所述陶瓷涂层的涂覆面积。

优选的，所述PTC材料的熔化温度为80～120℃。

本实用新型的有益效果：本实用新型一种锂离子电池隔离膜，包括隔离膜基体和设置于隔离膜基体两侧的陶瓷涂层，还包括设置于所述隔离膜基体与所述陶瓷涂层之间的PTC材料层，所述PTC材料层由粘结剂和PTC材料混合制成；所述隔离膜还设置有若干贯穿所述隔离膜基体、所述PTC材料层和所述陶瓷涂层的纳米孔道，所述纳米孔道的孔径大小为0.01~10nm，所述PTC材料层和所述陶瓷涂层的厚度均为0.01～5μm。本实用新型通过同时设置PTC材料层和陶瓷涂层，由于PTC 材料是一种典型的具有温度敏感性的材料，超过一定的温度（熔化温度）时，PTC材料熔化并关闭所述隔离膜基体的孔以阻止电化学反应进一步进行；此外，即使当电池热失控或发生锂枝晶导致隔离膜基体的破坏时，陶瓷涂层的存在仍可抑制电池的正极和负极之间的短路，从而提高电池的安全性。而若干贯穿整个隔离膜的纳米孔道的设置，则有利于锂离子在隔离膜中的穿梭，并为流通的离子提供了距离更短的运动通道，使得离子的流动更为通畅，离子的自由流动性得到提升；从而有效提高锂离子电池的循环性能和充放电倍率性能。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

图中：1-隔离膜基体；2-PTC材料层；3-陶瓷涂层；4-纳米孔道。

具体实施方式

下面结合实施方式和说明书附图，对本实用新型作进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。

如图1所示，一种锂离子电池隔离膜，包括隔离膜基体1和设置于隔离膜基体1两侧的陶瓷涂层3，还包括设置于所述隔离膜基体1与所述陶瓷涂层3之间的PTC材料层2，所述PTC材料层2由粘结剂和PTC材料混合制成，所述PTC材料层2的涂覆面积大于或等于所述陶瓷涂层3的涂覆面积；所述隔离膜还设置有若干贯穿所述隔离膜基体1、所述PTC材料层2和所述陶瓷涂层3的纳米孔道4，所述纳米孔道4的孔径大小为0.01~10nm，所述纳米孔道4的孔隙率为20~50%，所述PTC材料层2和所述陶瓷涂层3的厚度均为0.01～5μm。

其中，所述PTC材料可为有机聚合物复合PTC材料或无机金属氧化物PTC材料中的至少一种。优选的，有机聚合物复合PTC材料可为聚乙烯与乙炔黑复合物。优选的，无机金属氧化物PTC 材料可为稀土元素钇掺杂的三氧化二钒；其中，所述PTC材料的熔化温度为80～120℃。在此需要说明的是，所述PTC材料均为可以商购的公知材料。所述陶瓷涂层3包括陶瓷颗粒和粘结剂，所述陶瓷颗粒可为氧化铝、氧化镁、氧化钙、氧化锌和氧化锆中的一种或多种，所述粘结剂可为聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯和丁苯橡胶中的一种或多种。

优选的，所述纳米孔道4的形状呈“S”字形。

优选的，所述PTC材料层2和所述陶瓷涂层3的厚度均为0.1～1μm。

优选的，所述纳米孔道4的孔径大小为0.01~1nm。

优选的，所述纳米孔道4的孔隙率为40~50%。孔隙率过低，不利于锂离子的穿梭；孔隙率过高，会影响隔离膜的结构稳定性。

本实用新型的作用原理为：由于PTC 材料是一种典型的具有温度敏感性的材料，超过一定的温度（熔化温度）时，PTC材料熔化并关闭所述隔离膜基体1的孔以阻止电化学反应进一步进行。此外，即使当电池热失控或发生锂枝晶导致隔离膜基体1的破坏时，陶瓷涂层3的存在仍可抑制电池的正极和负极之间的短路，从而提高电池的安全性。而若干贯穿整个隔离膜的纳米孔道4的设置，则有利于锂离子在隔离膜中的穿梭，并为流通的离子提供了距离更短的运动通道，使得离子的流动更为通畅，离子的自由流动性得到提升；从而有效提高锂离子电池的循环性能和充放电倍率性能。

其中，当纳米孔道4的孔径小于0.01nm时，由于孔径过小而不利于锂离子的穿梭，降低锂离子的传输速度；当纳米孔道4的孔径大于10nm时，由于孔径过大而影响隔离膜的结构稳定性，造成安全隐患。需要说明的是，该纳米孔道4由于较微细，因此并不会导致正负极间发生接触短路。当PTC材料层2和陶瓷涂层3的厚度低于0.01μm时，由于其不能足够覆盖对应的隔离膜基体1，在达到熔化温度时不能起到完整的隔绝作用；而当PTC材料层2和陶瓷涂层3的厚度超过5μm时，将影响电池的能量密度，并造成材料浪费。

下面结合具体实施例对本实用新型作进一步详细说明。

实施例一

首先制备含PTC材料的浆料：PTC材料选用稀土元素钇掺杂的三氧化二钒，其熔化温度为120℃。首先球磨该PTC材料3h，将球磨后的PTC、粘结剂聚四氟乙烯按照90:10的质量比与溶剂N-甲基吡咯烷酮混合均匀制成含PTC材料的浆料；将含PTC材料的浆料涂覆在隔离膜基体1上，烘烤除去溶剂，在隔离膜基体1上形成厚度为1μm的PTC材料层2；反面同样涂覆相同厚度的PTC材料的浆料，烘烤除去溶剂。

其次制备隔离膜的陶瓷涂层3：陶瓷材料选用氧化铝，首先球磨该氧化铝颗粒2h，将氧化铝、聚四氟乙烯按照92:8的质量比与溶剂N-甲基吡咯烷酮混合均匀制成陶瓷涂层3浆料，将陶瓷涂层3浆料涂覆于形成在隔离膜基体1之上的PTC材料层2上，涂覆面积与PTC材料层2的涂覆面积一致，经烘烤除去溶剂，在PTC材料层2上形成陶瓷涂层3；反面制备工艺相同；然后对隔离膜进行纳米孔道4处理，纳米孔道4的形状呈“S”字形，其中孔径大小为0.01nm，孔隙率为50%，即得到锂离子电池隔离膜。

实施例二

首先制备含PTC材料的浆料：PTC材料选用聚乙烯与乙炔黑复合物，其熔化温度为80℃。首先球磨该PTC材料3h，将球磨后的PTC、粘结剂聚偏氟乙烯按照92:8的质量比与溶剂N-甲基吡咯烷酮混合均匀制成含PTC材料的浆料；将含PTC材料的浆料涂覆在隔离膜基体1上，烘烤除去溶剂，在隔离膜基体1上形成厚度为0.1μm的PTC材料层2；反面同样涂覆相同厚度的PTC材料的浆料，烘烤除去溶剂。

其次制备隔离膜的陶瓷涂层3：陶瓷材料选用氧化锆，首先球磨该氧化锆颗粒2h，将氧化锆、聚偏氟乙烯按照94:6的质量比与溶剂N-甲基吡咯烷酮混合均匀制成陶瓷涂层3浆料，将陶瓷涂层3浆料涂覆于形成在隔离膜基体1之上的PTC材料层2上，涂覆面积与PTC材料层2的涂覆面积一致，经烘烤除去溶剂，在PTC材料层2上形成陶瓷涂层3；反面制备工艺相同；然后对隔离膜进行纳米孔道4处理，纳米孔道4的形状呈“S”字形，其中孔径大小为0.1nm，孔隙率为20%，即得到锂离子电池隔离膜。

根据上述说明书的揭示和教导，本实用新型所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本实用新型并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本实用新型的一些修改和变更也应当落入本实用新型的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本实用新型构成任何限制。

Claims (7)

1.一种锂离子电池隔离膜，包括隔离膜基体和设置于隔离膜基体两侧的陶瓷涂层，其特征在于：还包括设置于所述隔离膜基体与所述陶瓷涂层之间的PTC材料层；所述隔离膜还设置有若干贯穿所述隔离膜基体、所述PTC材料层和所述陶瓷涂层的纳米孔道，所述纳米孔道的孔径大小为0.01~10nm，所述PTC材料层和所述陶瓷涂层的厚度均为0.01～5μm。

2.根据权利要求1所述的锂离子电池隔离膜，其特征在于：所述纳米孔道的形状呈“S”字形。

3.根据权利要求1所述的锂离子电池隔离膜，其特征在于：所述PTC材料层和所述陶瓷涂层的厚度均为0.1～1μm。

4.根据权利要求1所述的锂离子电池隔离膜，其特征在于：所述纳米孔道的孔径大小为0.01~1nm。

5.根据权利要求1所述的锂离子电池隔离膜，其特征在于：所述纳米孔道的孔隙率为20~50%。

6.根据权利要求1 所述的锂离子电池隔离膜，其特征在于：所述PTC材料层的涂覆面积大于或等于所述陶瓷涂层的涂覆面积。

7.根据权利要求1所述的锂离子电池隔离膜，其特征在于：所述PTC材料的熔化温度为80～120℃。