CN209929388U

CN209929388U - 一种锂离子电池隔膜及锂离子电池

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Publication number: CN209929388U
Application number: CN201822047822.1U
Authority: CN
Inventors: 苏广州; 李巧; 马美品
Original assignee: Yinlong New Energy Co Ltd
Current assignee: Yinlong New Energy Co Ltd
Priority date: 2018-12-07
Filing date: 2018-12-07
Publication date: 2020-01-10
Anticipated expiration: 2028-12-07

Abstract

本实用新型提供了一种锂离子电池隔膜及锂离子电池，包括隔膜基体和设置在所述隔膜基体一侧的混合材料涂覆层；所述混合材料涂覆层包括混合材料和粘结剂，所述混合材料包括陶瓷材料和压敏材料；所述混合材料涂覆层的厚度为2至4μm。本申请中的锂离子电池隔膜能够提供更大的孔隙率，不仅提高了隔膜的机械强度，还能够提高锂离子电池对电压的敏感度，进而提高了锂离子电池的安全性。

Description

一种锂离子电池隔膜及锂离子电池

技术领域

本实用新型涉及电池技术领域，具体涉及一种锂离子电池隔膜及锂离子电池。

背景技术

近年来锂离子电池因具备能量密度大、循环寿命长、工作温度范围宽和可快速充放电等特点而被广泛应用于手机、笔记本电脑、航空航天、电动汽车等领域。

在锂离子电池的结构中，隔膜是关键的内层组件之一。隔膜位于正极和负极之间，主要作用是将正、负极的活性物质分开，防止两极因接触而短路。同时，由于隔膜中具有大量曲折贯通的微孔，在电化学反应时，能保持必要的电解液，形成离子移动的通道。隔膜的性能决定了电池的界面结构、内阻等，直接影响电池的容量、循环性能以及安全性等特性，性能优异的隔膜对提高电池的综合性能具有重要的作用。

隔膜在锂电池安全上扮演极重要的角色，隔膜不仅需要具有良好的离子传导性，而且需要拥有足够的机械强度与耐穿刺度，以防止反应中析出的锂晶枝刺破隔离膜造成短路。同时，在非正常情况下电池内部异常升温时，隔膜会发生热收缩使得正、负极接触而发生内部短路，使内压急剧增加，存在起火、爆炸的风险。另外，相比正极、负极、电解液等电池材料而言，隔膜是锂离子电池四大关键材料中国产率最低、技术堡垒最高的关键材料，隔膜的质量直接决定锂离子电池的使用性能和安全性能。因此，改善锂离子电池的安全性是一个亟待解决的重要问题。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的目的之一在于提供一种锂离子电池隔离膜及锂离子电池，以解决现有技术中存在的锂离子电池隔离膜安全性差，电池内部异常升温时容易发生热收缩，造成锂离子电池起火、爆炸等问题。

为达到上述目的，一方面，本实用新型采用以下技术方案：

一种锂离子电池隔膜，包括隔膜基体和设置在所述隔膜基体一侧的混合材料涂覆层；

所述混合材料涂覆层包括混合层和粘结剂层，所述混合层包括陶瓷材料层和压敏材料层；

所述混合材料涂覆层的厚度为2至4μm。

优选地，所述粘结剂层包括聚偏氟乙烯；和/或，

所述隔膜基体包括聚乙烯或聚丙烯；和/或，

所述隔膜基体的厚度为10至14μm。

优选地，所述粘结剂层的质量占所述混合材料涂覆层的质量的10％至14％，所述压敏材料层的质量占所述混合材料涂覆层的质量的36％至 46％，所述陶瓷材料层的质量占所述混合材料涂覆层的质量的38％至52％。

优选地，所述陶瓷材料层包括二氧化硅颗粒、氧化锆颗粒、氮化铝颗粒、氮化硼颗粒、勃姆石颗粒中的一种或几种。

优选地，所述陶瓷材料层的颗粒为表面经过修饰的非球形；和/或，

所述陶瓷材料层的颗粒粒径包括至少两种尺寸。

优选地，所述压敏材料层包括有机聚合物复合压敏材料层或无机金属氧化物压敏材料层。

优选地，所述有机聚合物复合压敏材料层包括聚苯胺复合物；或者，

所述无机金属氧化物压敏材料层包括碳化硅、氧化锌、氮化锡。

为达上述目的，另一方面，本实用新型采用以下技术方案：

一种锂离子电池，包括正极和负极，所述正极和所述负极之间设置有如上所述的锂离子电池隔膜。

本申请中的锂离子电池隔膜具有混合材料涂覆层，混合材料涂覆层包括陶瓷材料和压敏材料，能够提供更大的孔隙率，不仅提高了隔膜的机械强度，还能够提高锂离子电池对电压的敏感度，进而提高了锂离子电池的安全性。

附图说明

通过以下参照附图对本实用新型实施例的描述，本实用新型的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1示出本实用新型具体实施方式提供的锂离子电池隔膜的结构示意图；

图2示出本实用新型具体实施方式提供的锂离子电池在进行过充测试过程中的测试曲线图。

图中：

1、隔膜基体；2、混合材料涂覆层。

具体实施方式

以下基于实施例对本实用新型进行描述，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。

除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。

本申请提供了一种锂离子电池隔膜，置在锂离子电池的正极和负极之间，用于将正、负极的活性物质分开，避免两极发生接触而短路。如图1所示，锂离子电池隔膜包括隔膜基体1和设置在隔膜基体1一侧的混合材料涂覆层2，其中，在隔膜基体1中设置有具有电化学活性的聚合物作为电池隔膜的骨架材料，在电池正常的充放电电压范围内，隔膜基体1中的电化学活性的聚合物处于未掺杂的本征状态，隔膜为电子绝缘体，仅提供离子实现传输过程。当电池处于过充状态时，锂离子电池的正极电势上升，隔膜基体1中的具有电化学活性的聚合物因被氧化而发生P型掺杂，而变成电子电导体，从而造成电池内部短路。在过充状态停止后，锂离子电池的正极点位由于隔膜形成的内部短路而降低，当低于具有电化学活性的聚合物的电养护掺杂电势时，聚合物因可逆掺杂而恢复绝缘状态，此时隔膜恢复期正常使用功能。利用具有电化学性能的聚合物的对电压的敏感性，能够有效防止电池在过充过程中电压失控，以提高锂离子电池充放电过程中的安全性。优选地，隔膜基体1包括聚乙烯或聚丙烯，隔膜基体1的厚度为10至14μm，更加优选地，隔膜基体1的厚度为12μm。

进一步地，混合材料涂覆层2的厚度为2至4μm，优选地为3μm，以保证隔膜在使用过程的安全性和稳定性。混合材料涂覆层2包括混合层和粘结剂层，混合层由混合材料制作而成，其中，混合层包括陶瓷材料层和压敏材料层，陶瓷材料层由陶瓷材料制作，压敏材料层由压敏材料制作，即，混合材料包括压敏材料和陶瓷材料，粘结剂层由粘结剂制作，粘结剂将陶瓷材料和压敏材料粘结在一起，优选的，粘结剂包括聚偏氟乙烯。其中，陶瓷材料包括二氧化硅颗粒、氧化锆颗粒、氮化铝颗粒、氮化硼颗粒、勃姆石颗粒中的一种或几种，优选地，陶瓷材料的颗粒为表面经过修饰的非球形。进一步优选地，陶瓷材料的颗粒粒径包括至少两种尺寸，比如陶瓷材料包括单一的表面经过修饰的非球形二氧化硅，但二氧化硅包括至少两种不同的粒径，以使得混合材料涂覆层2的堆积密度小，以提供更大的空隙率。较小的粒径颗粒能够实现更加有效的覆盖，减少空腔的面积，减少微短路情况的发生。同时陶瓷材料的颗粒的粒径包括多种不同的尺寸，并按照一定的比例混合后，能够提高隔膜的机械强度，提高了电池对电压的敏感性，进而提高了锂离子电池的安全性和稳定的电化学性能。

更进一步地，压敏材料包括有机聚合物复合压敏材料或无机金属氧化物压敏材料，其中，有机聚合物复合压敏材料包括聚苯胺复合物，无机金属氧化物压敏材料包括碳化硅、氧化锌、氮化锡。在对混合材料涂覆层进行制备过程中，粘结剂层的质量占混合材料涂覆层的质量的10％至14％，即，粘结剂的质量占混合材料涂覆层的质量的10％至14％，压敏材料层的质量占混合材料涂覆层的质量的36％至46％，即，压敏材料的质量占混合材料涂覆层的质量的36％至46％，陶瓷材料层的质量占混合材料涂覆层的质量的38％至52％，即，陶瓷材料的质量占混合材料涂覆层的质量的38％至52％。

下面对通过一个具体的实施例对本申请中的锂离子电池隔膜的混合材料涂覆层的制备方法进行详细的说明。制备方法包括：

S1、制备压敏材料浆料

在该步骤中，将聚苯胺复合物在球磨机中进行4h球磨加工，取球磨加工后的聚苯胺复合物和作为粘结剂使用的聚四氟乙烯，聚苯胺复合物与聚四氟乙烯的质量比为9:1，将其与作为溶剂使用的N-甲基吡咯烷酮混匀制成压敏材料浆料，由压敏材料浆料制作压敏材料层。

S2、制备陶瓷材料浆料

陶瓷材料包含两种不同的粒径，陶瓷材料的第一粒径为400nm，其比表面积是29m²/g；陶瓷材料的第二粒径为100nm，其比表面积是37m²/g，在此，需要说明的是，由于陶瓷材料的颗粒的粒径不是非常的均匀，因此在此所说的第一粒径和第二粒径均是指中位粒径，也就是陶瓷材料颗粒的平均粒径。优选地，在该实施例中，陶瓷材料选用的是非球形的勃姆石颗粒。第一粒径的陶瓷材料颗粒的重量份数比为60，第二粒径陶瓷材料颗粒的重量份数比为40，将陶瓷材料颗粒与作为粘结剂使用的聚偏氟乙烯以9:1的质量比与作为溶剂使用的N-甲基吡咯烷酮均匀混合制成陶瓷浆料，由陶瓷浆料制作陶瓷材料层。

S3、混合材料涂覆层

将S1和S2中制备的压敏材料浆料与陶瓷材料浆料以45:55的质量比混合均匀，并将其涂覆在12μm的聚丙烯(PP)隔离膜基膜一侧，涂覆厚度为3μm。

为了进一步说明本申请中的锂离子隔膜与常规的锂离子隔膜之间的区别，使用常规的没有设置混合材料涂覆层的隔膜与上述制备的带有混合材料涂覆层的隔膜进行试验对比。

如表一所示，是常规隔膜与本申请中的设置有混合材料涂覆层的隔膜在透气度、孔隙率、穿刺强度、热收缩率等方面进行的对比。

表一

从上表可知，本实施例中的隔膜的孔隙率比常规隔膜高处4％，且透气对比常规隔膜高出62s，穿刺强度比常规隔膜高出28gf，说明本申请中的带有混合材料涂覆层锂离子电池隔膜比常规的锂离子电池隔膜的安全性和电化学性能要强许多。

为了进一步验证本申请中的锂离子隔膜与常规隔膜之间的性能上的差异，将常规隔膜和本申请中的锂离子隔膜按照相同的工艺装配成 66160的钛酸锂圆柱型锂离子电池并进行过充测试，并记录各个阶段电压、电流变化。如图2所示，下面对本申请中的锂离子隔膜在试验中的试验过程进行详细说明。

本申请中在电池正常的充放电压范围内(第一、二阶段时)，采用 1C(40Ah)电流进行充电，电压由2.7V升高至4.35V，在此过程中少量输入的能量转化成热量，大部分的能量以化学能形式贮存；当电池电压由4.35V升高至5.8V，大部分输入的能量直接转化成热能，输出的热能增加甚至超过输入的电能。在这个区间内有放热反应发生，将输出的热能减去输入的电能，有部分的化学能被释放出来，此过程有强烈的放热反应发生。此时，隔膜中的电活性聚合物处于未掺杂的本征态，隔膜为电子绝缘体，仅提供离子传输。当处于过充状态时(第三阶段时)，当电压到达5.8V时，若继续充电，则输入的电能全部转变成了热能，最终导致电池内部温度急剧升高，当温度足够高时，引起阳极的化学反应，开始释放出更多的热量，最终导致热失控，致使电池爆炸。此时的隔膜，正极电势上升，电活性聚合物因被氧化而发生p型掺杂，而变成电子电导体，从而造成电池内部短路；而停止过充后，正极电位由于隔膜形成的内部短路而降低，当低于电活性聚合物材料的电氧化掺杂电势时，导电聚合物因可逆掺杂而恢复为绝缘态，此时隔膜恢复其正常功能。利用导电聚合物的对电压的这种敏感性，从而有效的防止了电池在过充电时的电压失控。

本申请还提供了一种锂离子电池，包括正极和负极，正极和负极之间设置有上述的锂离子电池隔膜。

本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各优选方案可以自由地组合、叠加。

以上仅为本实用新型的优选实施例，并不用于限制本实用新型，对于本领域技术人员而言，本实用新型可以有各种改动和变化。凡在本实用新型的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种锂离子电池隔膜，其特征在于，包括隔膜基体和设置在所述隔膜基体一侧的混合材料涂覆层；

所述混合材料涂覆层的厚度为2至4μm。

2.根据权利要求1所述的锂离子电池隔膜，其特征在于，所述粘结剂层包括聚偏氟乙烯；和/或，

所述隔膜基体包括聚乙烯或聚丙烯；和/或，

所述隔膜基体的厚度为10至14μm。

3.根据权利要求1所述的锂离子电池隔膜，其特征在于，所述陶瓷材料层的颗粒为表面经过修饰的非球形；和/或，

所述陶瓷材料层的颗粒粒径包括至少两种尺寸。

4.根据权利要求1所述的锂离子电池隔膜，其特征在于，所述压敏材料层包括有机聚合物复合压敏材料层或无机金属氧化物压敏材料层。

5.一种锂离子电池，包括正极和负极，其特征在于，所述正极和所述负极之间设置有如权利要求1至4之一所述的锂离子电池隔膜。