TW201946316A - 聚合物隔膜及其製備方法和應用以及鋰離子電池及其製備方法 - Google Patents
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Abstract
本發明揭露了一種聚合物隔膜及其製備方法以及含有該聚合物隔膜的鋰離子電池及其製備方法,該聚合物隔膜含有多孔基材、親水性阻滯層以及多孔極性聚合物黏結層,親水性阻滯層設置在多孔基材和多孔極性聚合物黏結層之間,該多孔極性聚合物黏結層的孔徑為200nm-20μm。將該聚合物隔膜用於鋰離子電池,能與鋰離子電池的正極和負極牢固地黏結在一起,使得鋰離子電池具有較高的硬度,並使鋰離子電池顯示出良好的性能。該製備方法在配製極性聚合物黏結劑溶液時,既可以採用低沸點溶劑,也可以採用操作安全性更高的高沸點溶劑,採用高沸點溶劑時,不僅能提高操作安全性,而且不會導致鋰離子電池性能的明顯下降。
Description
本發明涉及一種聚合物隔膜及其製備方法和應用,本發明還涉及採用該聚合物隔膜的鋰離子電池及其製備方法。
鋰離子電池主要由正/負極材料、電解質、隔膜及電池外殼包裝材料組成。隔膜是鋰離子電池的重要組成部分,用於分隔正、負極,防止電池內部短路;隔膜允許電解質離子自由通過,完成電化學充放電過程。隔膜的性能決定了電池的介面結構、內阻等,直接影響電池的倍率性能、迴圈性能以及安全性能(耐高溫性能)等特性,性能優異的隔膜對提高電池的綜合性能具有重要的作用。
由於具有原料價格低廉、製備製程簡單、機械強度高、電化學穩定性強等特點,機械拉伸法製備的聚乙烯、聚丙烯微孔膜是目前主要商用的鋰離子電池隔膜。但是,商用微孔膜在熔融溫度附近閉孔收縮造成電池短路,使電池具有高溫下燃燒和爆炸的危險;除此之外,聚烯烴隔膜對電解液吸附性差,不利於充放電過程中鋰離子的傳導。
目前,在聚烯烴微孔膜兩側塗覆聚醚類(如聚氧化乙烯)、聚丙烯腈類、聚丙烯酸酯類(如聚甲基丙烯酸甲酯及其共聚物)、聚偏氟乙烯類(包括聚偏二氟乙烯、以及偏氟乙烯和六氟丙烯的共聚物)等極性聚合物的多孔膜是可以改善隔膜吸附電解液性能,同時降低微孔膜在熔融溫度附近收縮比率的主要方法。倒相法是製備多孔膜的主要方法之一,其主要包括兩種形式:(1)溶劑蒸發沉澱相分離法;(2)浸入沉澱相分離法。
在實際生產中,聚偏氟乙烯系(PVdF)塗覆技術已得到了廣泛應用。聚偏氟乙烯系(PVdF)塗覆技術採用溶劑蒸發沉澱相分離法在聚烯烴微孔膜表面造孔得到PVdF多孔膜,其具體操作製程為:將聚偏氟乙烯溶解或分散於丙酮中,並添加一定量的致孔劑DMC(二甲基碳酸酯),形成漿液,將該漿液塗佈在聚烯烴微孔膜表面並進行乾燥。乾燥的過程中,先揮發除去潛溶劑丙酮,再蒸發除去致孔劑DMC,從而留下孔隙。
在實際生產中,聚偏氟乙烯系(PVdF)塗覆技術已得到了廣泛應用。聚偏氟乙烯系(PVdF)塗覆技術採用溶劑蒸發沉澱相分離法在聚烯烴微孔膜表面造孔得到PVdF多孔膜,其具體操作製程為:將聚偏氟乙烯溶解或分散於丙酮中,並添加一定量的致孔劑DMC(二甲基碳酸酯),形成漿液,將該漿液塗佈在聚烯烴微孔膜表面並進行乾燥。乾燥的過程中,先揮發除去潛溶劑丙酮,再蒸發除去致孔劑DMC,從而留下孔隙。
現有的聚偏氟乙烯系(PVdF)塗覆技術採用低沸點丙酮作為溶劑,操作安全性有待提高。本發明的發明人在研究過程中發現儘管採用高沸點的溶劑代替丙酮,可以提高操作安全性,但是採用高沸點的溶劑配製聚偏氟乙烯系聚合物溶液而製備的鋰離子電池的性能明顯下降,經過研究發現,其原因可能在於:採用高沸點的溶劑配製的聚偏氟乙烯系聚合物溶液滲透性極強,聚合物溶液極易穿透隔膜而到達與塗佈面相對的另一個表面,從而將聚偏氟乙烯系聚合物也帶入隔膜的孔隙中,由於聚偏氟乙烯系聚合物的流動性和滲透性遠低於有機溶劑,被有機溶劑攜帶進入隔膜的聚偏氟乙烯系聚合物通常存留在隔膜的孔隙中,堵塞隔膜,對隔膜的透氣性和孔隙率產生不利影響,提高聚合物隔膜的本體阻抗,降低離子電導率,對最終製備的鋰離子電池的性能產生不良影響。儘管現有的聚烯烴隔膜表面通常形成陶瓷層以提高隔膜的熱穩定性以及吸附電解液的能力,但是即便具有該陶瓷層的聚烯烴隔膜也難以阻擋聚合物溶液穿透隔膜。
針對採用高沸點的溶劑配製聚偏氟乙烯系聚合物溶液時存在的問題,本發明的發明人進行了深入的研究,發現:採用高沸點的溶劑配製聚偏氟乙烯系聚合物溶液時,如果在多孔基材(即,具有陶瓷層或不具有陶瓷層的聚烯烴多孔膜)與聚偏氟乙烯系聚合物之間設置親水性阻滯層,能有效地抑制聚偏氟乙烯系聚合物溶液透過親水性阻滯層而進入多孔基材中,從而有效地降低進入多孔基材中的聚偏氟乙烯系聚合物的量,提高聚合物隔膜的透氣性和孔隙率,降低聚合物隔膜的本體阻抗,提高聚合物隔膜的離子電導率,使得製備的鋰離子電池仍然具有較好的性能。在此基礎上完成了本發明。
根據本發明的第一方面,本發明提供了一種聚合物隔膜,該聚合物隔膜含有多孔基材、親水性阻滯層以及多孔極性聚合物黏結層,該親水性阻滯層設置在該多孔基材和該多孔極性聚合物黏結層之間,該多孔極性聚合物黏結層的孔徑為200nm-20μm。
根據本發明的第二方面,本發明提供了一種聚合物隔膜的製備方法,該方法包括:
(1)將親水阻滯漿液塗佈在多孔基材的至少一個表面形成親水阻滯塗層,該親水阻滯漿液含有分散介質、以及分散在該分散介質中的親水性無機顆粒以及黏合劑,可選地將該親水阻滯塗層乾燥,形成親水性阻滯層;
(2)將極性聚合物黏結劑溶液塗佈在該親水阻滯塗層或者該親水性阻滯層的表面形成極性聚合物黏結劑塗層,該極性聚合物黏結劑溶液含有有機溶劑以及分散在該有機溶劑中的極性聚合物黏結劑和造孔劑;
(3)將該親水阻滯塗層和該極性聚合物黏結劑塗層進行乾燥,形成親水性阻滯層和多孔極性聚合物黏結層,或者將該極性聚合物黏結劑塗層進行乾燥,形成多孔極性聚合物黏結層;
步驟(2)中所述的造孔劑為在步驟(3)該乾燥條件下能形成氣體的物質。
(1)將親水阻滯漿液塗佈在多孔基材的至少一個表面形成親水阻滯塗層,該親水阻滯漿液含有分散介質、以及分散在該分散介質中的親水性無機顆粒以及黏合劑,可選地將該親水阻滯塗層乾燥,形成親水性阻滯層;
(2)將極性聚合物黏結劑溶液塗佈在該親水阻滯塗層或者該親水性阻滯層的表面形成極性聚合物黏結劑塗層,該極性聚合物黏結劑溶液含有有機溶劑以及分散在該有機溶劑中的極性聚合物黏結劑和造孔劑;
(3)將該親水阻滯塗層和該極性聚合物黏結劑塗層進行乾燥,形成親水性阻滯層和多孔極性聚合物黏結層,或者將該極性聚合物黏結劑塗層進行乾燥,形成多孔極性聚合物黏結層;
步驟(2)中所述的造孔劑為在步驟(3)該乾燥條件下能形成氣體的物質。
根據本發明的第三方面,本發明提供了由本發明第二方面所述方法製備的聚合物隔膜。
根據本發明的第四方面,本發明提供了本發明第一方面或者第三方面所述的聚合物隔膜在鋰離子電池中的應用。
根據本發明的第五方面,本發明提供了一種鋰離子電池,該鋰離子電池包括正極極片、負極極片以及聚合物隔膜,其中,該聚合物隔膜為本發明第一方面或者第三方面所述的聚合物隔膜。
根據本發明的製備聚合物隔膜的方法,在配製極性聚合物黏結劑溶液時,既可以採用現有製程中的低沸點溶劑(如丙酮),也可以採用操作安全性更高的高沸點溶劑,還可以採用低沸點溶劑和高沸點溶劑的混合物。其中,採用高沸點溶劑時,不僅能提高操作安全性,而且不會導致鋰離子電池的性能明顯下降。
在本文中所披露的範圍的端點和任何值都不限於該精確的範圍或值,這些範圍或值應當理解為包含接近這些範圍或值的值。對於數值範圍來說,各個範圍的端點值之間、各個範圍的端點值和單獨的點值之間,以及單獨的點值之間可以彼此組合而得到一個或多個新的數值範圍,這些數值範圍應被視為在本文中具體揭露。
根據本發明的第一方面,本發明提供了一種聚合物隔膜,該聚合物隔膜包括多孔基材、親水性阻滯層以及多孔極性聚合物黏結層,該親水性阻滯層設置在該多孔基材和該多孔極性聚合物黏結層之間。
該親水性阻滯層為具有親水性的阻滯層。根據本發明的聚合物隔膜,該親水性阻滯層與水的接觸角可以不高於40°,例如1°、2°、3°、4°、5°、6°、7°、8°、9°、10°、11°、12°、13°、14°、15°、16°、17°、18°、19°、20°、21°、22°、23°、24°、25°、26°、27°、28°、29°、30°、31°、32°、33°、34°、35°、36°、37°、38°、39°、或者40°。較佳地,該親水性阻滯層與水的接觸角不高於20°。在該親水性阻滯層與水接觸角不高於20°時,能更為明顯地提高聚合物隔膜的性能,例如:更為明顯地提高聚合物隔膜的透氣性和離子電導率,使得採用該聚合物隔膜的鋰離子電池顯示出更為優異的性能。更佳地,該親水性阻滯層與水的接觸角為2-18°,較佳為5-15°。該接觸角採用GB/T30693-2014 塑膠薄膜與水接觸角的測量中規定的方法測定。
該親水性阻滯層含有黏合劑以及親水性無機顆粒,該親水性無機顆粒通過該黏合劑相互黏合。
該親水性無機顆粒較佳為親水性Al2
O3
、親水性SiO2
、親水性SnO2
、親水性ZrO2
、親水性TiO2
、親水性SiC、親水性Si3
N4
、親水性CaO、親水性MgO、親水性ZnO、親水性BaTiO3
、親水性LiAlO2
和親水性BaSO4
中的一種或兩種以上。更佳地,該親水性無機顆粒為親水性Al2
O3
和/或親水性SiO2
。進一步較佳地,該親水性無機顆粒為氣相法親水性SiO2
、沉澱法親水性SiO2
和氣相法親水性Al2
O3
中的一種或兩種以上。
該親水性無機顆粒的粒徑可以為1nm至10μm,較佳為1nm至5μm,更佳為1nm至2μm。從進一步提高聚合物隔膜的透氣性和離子電導率以及採用該聚合物隔膜的鋰離子電池性能的角度出發,該親水性無機顆粒的粒徑更佳為10nm至1μm,進一步較佳為20nm至800nm,更進一步較佳為50nm至350nm。該粒徑為體積平均粒徑,採用鐳射細微性儀測定。
該親水性無機顆粒的比表面積可以為10-600m2
/g,例如10m2
/g、20m2
/g、30m2
/g、40m2
/g、50m2
/g、60m2
/g、70m2
/g、80m2
/g、90m2
/g、100m2
/g、120m2
/g、140m2
/g、150m2
/g、160m2
/g、180m2
/g、200m2
/g、220m2
/g、240m2
/g、250m2
/g、270m2
/g、300m2
/g、320m2
/g、340m2
/g、360m2
/g、370m2
/g、380m2
/g、390m2
/g、410m2
/g、430m2
/g、450m2
/g、470m2
/g、500m2
/g、520m2
/g、540m2
/g、560m2
/g、580m2
/g、600m2
/g。從進一步提高聚合物隔膜的透氣性和離子電導率以及採用該聚合物隔膜的鋰離子電池性能的角度出發,該親水性無機顆粒的比表面積較佳為100-500m2
/g,更佳為150-400m2
/g,進一步較佳為200-400m2
/g,更進一步較佳為250-390m2
/g,特別較佳為300-380m2
/g。該比表面積採用GB/T19587-2004 氣體吸附BET法測定固態物質比表面積方法中規定的方法測定。
根據本發明的聚合物隔膜,以該親水性阻滯層的總量為基準,該親水性無機顆粒的含量可以為50-95重量%,例如,50重量%、52重量%、55重量%、57重量%、60重量%、62重量%、65重量%、67重量%、70重量%、72重量%、75重量%、77重量%、80重量%、82重量%、85重量%、87重量%、90重量%、92重量%、95重量%,較佳為70-95重量%,更佳為80-95重量%,進一步較佳為85-95重量%。
該黏合劑一方面用於黏合並固定親水性無機顆粒,另一方面還可以進一步提高聚合物隔膜的吸附電解液的能力。該黏合劑較佳為丙烯酸酯型聚合物、苯乙烯-丙烯酸酯共聚物、聚偏二氟乙烯、偏二氟乙烯-六氟丙烯共聚物、丙烯腈-丙烯酸酯共聚物、氯乙烯-丙烯酸酯共聚物和丁二烯-苯乙烯共聚物中的一種或兩種以上。
根據本發明的聚合物隔膜,該親水性阻滯層的厚度可以為0.1-3μm,例如:0.1μm、0.2μm、0.3μm、0.4μm、0.5μm、0.6μm、0.7μm、0.8μm、0.9μm、1μm、1.1μm、1.2μm、1.3μm、1.4μm、1.5μm、1.6μm、1.7μm、1.8μm、1.9μm、2μm、2.1μm、2.2μm、2.3μm、2.4μm、2.5μm、2.6μm、2.7μm、2.8μm、2.9μm、或者3μm。較佳地,該親水性阻滯層的厚度為0.1-1μm,更佳為0.3-0.8μm。
根據本發明的聚合物隔膜,該多孔基材含有多孔聚合物層,可以用於溶脹液體電解液並傳輸鋰離子。較佳地,該多孔聚合物層為多孔聚烯烴層,例如多孔聚乙烯(PE)層、多孔聚丙烯(PP)層、多孔聚乙烯和多孔聚丙烯複合層中的一種或兩種以上。該多孔聚乙烯和多孔聚丙烯複合層可以為PE/PP/PE複合基材層。
根據本發明的聚合物隔膜,該多孔聚合物層的厚度可以為1-50μm,例如1μm、2μm、3μm、4μm、5μm、6μm、7μm、8μm、9μm、10μm、11μm、12μm、13μm、14μm、15μm、16μm、17μm、18μm、19μm、20μm、21μm、22μm、23μm、24μm、25μm、26μm、27μm、28μm、29μm、30μm、31μm、32μm、33μm、34μm、35μm、36μm、37μm、38μm、39μm、40μm、41μm、42μm、43μm、44μm、45μm、46μm、47μm、48μm、49μm、50μm,較佳為5-20μm,更佳為8-15μm。
根據本發明的聚合物隔膜,該多孔基材還可以含有陶瓷層,該陶瓷層用於提高多孔聚合物層的熱穩定性、力學性能和電解液吸附能力。該陶瓷層中的陶瓷顆粒可以為由選自Al2
O3
、SiO2
、SnO2
、ZrO2
、TiO2
、SiC、Si3
N4
、CaO、MgO、ZnO、BaTiO3
、LiAlO2
和BaSO4
中的一種或兩種以上燒結形成的陶瓷顆粒。一般地,該陶瓷層的厚度可以為1-5μm,例如1μm、1.1μm、1.2μm、1.3μm、1.4μm、1.5μm、1.6μm、1.7μm、1.8μm、1.9μm、2.0μm、2.1μm、2.2μm、2.3μm、2.4μm、2.5μm、2.6μm、2.7μm、2.8μm、2.9μm、3μm、3.1μm、3.2μm、3.3μm、3.4μm、3.5μm、3.6μm、3.7μm、3.8μm、3.9μm、4.0μm、4.1μm、4.2μm、4.3μm、4.4μm、4.5μm、4.6μm、4.7μm、4.8μm、4.9μm、5.0μm,較佳為1.5-3μm。較佳地,該陶瓷層的厚度大於該親水性阻滯層的厚度。
根據本發明的聚合物隔膜含有陶瓷層時,該陶瓷層可以設置在該多孔聚合物層和該親水性阻滯層之間,也可以是多孔聚合物層設置在該陶瓷層和該親水性阻滯層之間,還可以為上述兩種方式的組合。
根據本發明的聚合物隔膜,該多孔極性聚合物黏結層用於降低多孔基材在熔融溫度附近收縮比率,同時起到黏結的作用,將聚合物隔膜與電池的正極或負極黏結在一起,還可以提高多孔基材的吸附電解液的能力。該多孔極性聚合物黏結層中的極性聚合物可以為能實現上述功能的極性聚合物,其具體實例可以包括但不限於聚偏二氟乙烯(PVdF)、偏氟乙烯和六氟丙烯的共聚物(P(VdF-HFP))、以及偏氟乙烯和丙烯酸酯的共聚物中的一種或兩種以上。
該多孔極性聚合物黏結層的厚度可以為0.1-10μm,例如0.1μm、0.2μm、0.3μm、0.4μm、0.5μm、0.6μm、0.7μm、0.8μm、0.9μm、1.0μm、1.2μm、1.4μm、1.6μm、1.8μm、2.0μm、2.2μm、2.4μm、2.7μm、2.9μm、3.1μm、3.5μm、3.7μm、4.0μm、4.3μm、4.7μm、4.9μm、5.2μm、5.5μm、5.7μm、6.0μm、6.2μm、6.5μm、6.7μm、7.0μm、7.2μm、7.5μm、7.8μm、8.0μm、8.2μm、4.9μm、5.0μm,較佳為0.2-5μm,更佳為0.7-3μm,進一步較佳為0.8-1.5μm。
根據本發明的聚合物隔膜,多孔極性聚合物黏結層中的孔包括具有第一孔徑的孔和具有第二孔徑的孔,該第一孔徑為5-20μm,例如,第一孔徑為5μm、6μm、7μm、8μm、9μm、10μm、11μm、12μm、13μm、14μm、15μm、16μm、17μm、18μm、19μm、20μm,該第二孔徑為200nm-2μm,例如200nm、300nm、400nm、500nm、600nm、700nm、800nm、900nm、1000nm、1100nm、1200nm、1300nm、1400nm、1500nm、1600nm、1700nm、1800nm、1900nm、2000nm。較佳地,該第一孔徑為5-10μm,該第二孔徑為200nm-2μm。根據發明的聚合物隔膜中的多孔極性聚合物黏結層具有兩級孔徑結構,本發明的發明人在偶然間發現,大的孔徑可以減少聚合物隔膜與正、負極面的接觸面積,不阻擋鋰離子傳輸,但其孔徑過大又會造成黏結層的強度較差,黏結層上的孔洞形貌的均勻性差,且聚合物隔膜與正、負極之間的導電性和黏附性差;小的孔徑可以提高孔洞形貌的均勻性,保證黏結層強度,進一步提高聚合物隔膜與正、負極之間的導電性和黏附性,但黏結性過小會阻擋鋰離子傳輸,影響電池的性能。本申請提供的多孔極性聚合物黏結層結合有效解決了上述技術問題,進一步提高了電池性能。
較佳地,該多孔極性聚合物黏結層的孔隙率為20-80%,例如20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%。
較佳地,該多孔極性聚合物黏結層包括貫通多孔極性聚合物黏結層的通孔。
本發明中,多孔極性聚合物黏結層中的孔徑根據黏結層表面的SEM圖像定性測定;多孔極性聚合物黏結層的孔隙率採用正丁醇吸收法,將隔膜浸入已知密度的正丁醇溶劑中,通過測量隔膜浸潤前後的質量差,計算隔膜被液體所佔據的空隙體積,作為隔膜孔隙率。
根據本發明的聚合物隔膜,該親水性阻滯層、以及該多孔極性聚合物黏結層可以設置在多孔基材的一面,也可以設置在多孔基材的兩面。較佳地,該多孔極性聚合物黏結層附著在該親水性阻滯層的表面。
根據本發明的聚合物隔膜,在一種實施方式中,該聚合物隔膜由多孔基材、親水性阻滯層和多孔極性聚合物黏結層組成,該多孔基材為多孔聚合物層。該親水性阻滯層附著在該多孔基材的表面,該多孔極性聚合物黏結層附著在該親水性阻滯層的表面。根據該實施方式,可以在多孔基材的一個表面依次設置該親水性阻滯層和該多孔極性聚合物黏結層(即,聚合物隔膜具有以下結構:多孔聚合物層|親水性阻滯層|多孔極性聚合物黏結層),也可以在多孔基材的兩個相對的表面各自依次設置該親水性阻滯層和該多孔極性聚合物黏結層(即,聚合物隔膜具有以下結構:多孔極性聚合物黏結層|親水性阻滯層|多孔聚合物層|親水性阻滯層|多孔極性聚合物黏結層)。
根據本發明的聚合物隔膜,在另一種實施方式中,該聚合物隔膜由多孔基材、親水性阻滯層和多孔極性聚合物黏結層組成,該多孔基材由多孔聚合物層和陶瓷層組成。根據該實施方式,在一個實例中,該陶瓷層附著在該多孔聚合物層的表面,該親水性阻滯層附著在該陶瓷層的表面,該多孔極性聚合物黏結層附著在該親水性阻滯層的表面(即,聚合物隔膜具有以下結構:多孔聚合物層|陶瓷層|親水性阻滯層|多孔極性聚合物黏結層)。在另一個實例中,該多孔聚合物層附著在該陶瓷層的表面,該親水性阻滯層附著在該多孔聚合物層的表面,該多孔極性聚合物黏結層附著在該親水性阻滯層的表面(即,聚合物隔膜具有以下結構:陶瓷層|多孔聚合物層|親水性阻滯層|多孔極性聚合物黏結層)。在又一個實例中,該陶瓷層附著在該多孔聚合物層的表面,該陶瓷層和該多孔聚合物層的另一個表面各自依次附著親水性阻滯層和多孔極性聚合物黏結層(即,聚合物隔膜具有以下結構:多孔極性聚合物黏結層|親水性阻滯層|陶瓷層|多孔聚合物層|親水性阻滯層|多孔極性聚合物黏結層)。
根據本發明的聚合物隔膜,其總厚度可以為常規選擇,一般可以為5-50μm,例如,5μm、6μm、7μm、8μm、9μm、10μm、11μm、12μm、13μm、14μm、15μm、18μm、20μm、22μm、26μm、28μm、30μm、32μm、34μm、36μm、38μm、40μm、42μm、44μm、46μm、48μm、50μm,較佳為8-30μm,更佳為10-20μm。
根據本發明的聚合物隔膜,具有較高的透氣性。一般地,根據本發明的聚合物隔膜,Gurley值為100-900Sec/100mL,例如100Sec/100mL、120Sec/100mL、150Sec/100mL、170Sec/100mL、190Sec/100mL、200Sec/100mL、220Sec/100mL、250Sec/100mL、270Sec/100mL、290Sec/100mL、300Sec/100mL、325Sec/100mL、350Sec/100mL、370Sec/100mL、390Sec/100mL、400Sec/100mL、425Sec/100mL、450Sec/100mL、480Sec/100mL、500Sec/100mL、520Sec/100mL、550Sec/100mL、575Sec/100mL、600Sec/100mL、625Sec/100mL、650Sec/100mL、675Sec/100mL、690Sec/100mL、700Sec/100mL、720Sec/100mL、740Sec/100mL、770Sec/100mL、790Sec/100mL、800Sec/100mL、825Sec/100mL、850Sec/100mL、875Sec/100mL、900Sec/100mL,較佳為120-600Sec/100mL,更佳為120-500Sec/100mL。進一步較佳地,該聚合物隔膜的Gurley值為150-350Sec/100mL,如200-300Sec/100mL。
與現有的聚合物隔膜中用於提高隔膜熱穩定性和電解液吸附能力的陶瓷層相比,根據本發明的聚合物隔膜中的親水性阻滯層,親水性更強,能有效地阻滯製備過程中極性聚合物進入多孔基材中。與現有的聚合物隔膜相比,根據本發明的聚合物隔膜,多孔極性聚合物黏結層中的孔的孔徑更大(現有的聚合物隔膜的多孔極性聚合物黏結層中的孔徑通常為0.5-1μm,根據本發明的聚合物隔膜的多孔極性聚合物黏結層中的孔徑可以為3μm以上,通常為3-10μm),多孔極性聚合物黏結層為多層絲網交織結構,該親水性阻滯層的部分表面通過該多層絲網交織結構而暴露可見;然而現有的聚合物隔膜中的多孔極性聚合物黏結層更為緻密,呈蜂窩狀。
根據本發明的第二方面,本發明提供了一種聚合物隔膜的製備方法,該方法包括:
(1)將親水阻滯漿液塗佈在多孔基材的至少一個表面形成親水阻滯塗層,可選地將該親水阻滯塗層乾燥,形成親水性阻滯層;
(2)將極性聚合物黏結劑溶液塗佈在該親水阻滯塗層或者該親水性阻滯層的表面形成極性聚合物黏結劑塗層;
(3)將該親水阻滯塗層和該極性聚合物黏結劑塗層進行乾燥,形成親水性阻滯層和多孔極性聚合物黏結層,或者將該極性聚合物黏結劑塗層進行乾燥,形成多孔極性聚合物黏結層。
(1)將親水阻滯漿液塗佈在多孔基材的至少一個表面形成親水阻滯塗層,可選地將該親水阻滯塗層乾燥,形成親水性阻滯層;
(2)將極性聚合物黏結劑溶液塗佈在該親水阻滯塗層或者該親水性阻滯層的表面形成極性聚合物黏結劑塗層;
(3)將該親水阻滯塗層和該極性聚合物黏結劑塗層進行乾燥,形成親水性阻滯層和多孔極性聚合物黏結層,或者將該極性聚合物黏結劑塗層進行乾燥,形成多孔極性聚合物黏結層。
該多孔基材可以為多孔聚合物膜,也可以為多孔聚合物膜和陶瓷膜的複合膜。該多孔聚合物膜較佳為多孔聚烯烴膜,更佳為多孔聚乙烯膜、多孔聚丙烯膜、多孔聚乙烯和多孔聚丙烯複合膜。該多孔聚乙烯和多孔聚丙烯複合膜可以為PE/PP/PE複合膜。該陶瓷膜中的陶瓷可以為由選自Al2
O3
、SiO2
、SnO2
、ZrO2
、TiO2
、SiC、Si3
N4
、CaO、MgO、ZnO、BaTiO3
、LiAlO2
和BaSO4
中的一種或兩種以上燒結形成的陶瓷顆粒。該複合膜中,該多孔聚合物膜的厚度可以為1-50μm,例如1μm、2μm、3μm、4μm、5μm、6μm、7μm、8μm、9μm、10μm、11μm、12μm、13μm、14μm、15μm、16μm、17μm、18μm、19μm、20μm、21μm、22μm、23μm、24μm、25μm、26μm、27μm、28μm、29μm、30μm、31μm、32μm、33μm、34μm、35μm、36μm、37μm、38μm、39μm、40μm、41μm、42μm、43μm、44μm、45μm、46μm、47μm、48μm、49μm、50μm,較佳為5-20μm,更佳為8-15μm。該陶瓷膜的厚度可以為1-5μm,例如1μm、1.1μm、1.2μm、1.3μm、1.4μm、1.5μm、1.6μm、1.7μm、1.8μm、1.9μm、2.0μm、2.1μm、2.2μm、2.3μm、2.4μm、2.5μm、2.6μm、2.7μm、2.8μm、2.9μm、3μm、3.1μm、3.2μm、3.3μm、3.4μm、3.5μm、3.6μm、3.7μm、3.8μm、3.9μm、4.0μm、4.1μm、4.2μm、4.3μm、4.4μm、4.5μm、4.6μm、4.7μm、4.8μm、4.9μm、5.0μm,較佳為1.5-3μm。
步驟(1)中,該親水阻滯漿液含有分散介質、以及分散在該分散介質中的親水性無機顆粒以及黏合劑。
該親水性無機顆粒的粒徑可以為1nm至10μm,較佳為1nm至5μm。從進一步提高最終製備的聚合物隔膜的透氣性和離子電導率,以及採用該聚合物隔膜的鋰離子電池性能的角度出發,該親水性無機顆粒的粒徑更佳為1nm至2μm,進一步較佳為10nm至1μm,更進一步較佳為20nm至800nm,特別較佳為50nm至350nm。
該親水性無機顆粒的比表面積可以為10-600m2
/g,例如10m2
/g、20m2
/g、30m2
/g、40m2
/g、50m2
/g、60m2
/g、70m2
/g、80m2
/g、90m2
/g、100m2
/g、120m2
/g、140m2
/g、150m2
/g、160m2
/g、180m2
/g、200m2
/g、220m2
/g、240m2
/g、250m2
/g、270m2
/g、300m2
/g、320m2
/g、340m2
/g、360m2
/g、370m2
/g、380m2
/g、390m2
/g、410m2
/g、430m2
/g、450m2
/g、470m2
/g、500m2
/g、520m2
/g、540m2
/g、560m2
/g、580m2
/g、600m2
/g。從進一步提高最終製備的聚合物隔膜的透氣性和離子電導率以及採用該聚合物隔膜的鋰離子電池性能的角度出發,該親水性無機顆粒的比表面積較佳為100-500m2
/g,更佳為150-400m2
/g,進一步較佳為200-400m2
/g,更進一步較佳為250-390m2
/g,特別較佳為300-380m2
/g。
該親水性無機顆粒的具體實例可以包括但不限於親水性Al2
O3
、親水性SiO2
、親水性SnO2
、親水性ZrO2
、親水性TiO2
、親水性SiC、親水性Si3
N4
、親水性CaO、親水性MgO、親水性ZnO、親水性BaTiO3
、親水性LiAlO2
、以及親水性BaSO4
中的一種或兩種以上。較佳地,該親水性無機顆粒為親水性Al2
O3
和/或親水性SiO2
。更佳地,該親水性無機顆粒為氣相法親水性SiO2
、沉澱法親水性SiO2
和氣相法親水性Al2
O3
中的一種或兩種以上。
該親水阻滯漿液中,該黏合劑較佳為丙烯酸酯型聚合物、苯乙烯-丙烯酸酯共聚物、聚偏二氟乙烯、偏二氟乙烯-六氟丙烯共聚物、丙烯腈-丙烯酸酯共聚物、氯乙烯-丙烯酸酯共聚物和丁二烯-苯乙烯共聚物中的一種或兩種以上。
該親水阻滯漿液中,分散介質可以根據親水性無機顆粒以及黏合劑的種類進行選擇,以能使得親水性無機顆粒和黏合劑形成均勻穩定的漿液為准。該分散介質的具體實例可以包括但不限於水、乙醇、異丙醇、環己烷、四氫呋喃、二氯甲烷和三氯甲烷中的一種或兩種以上。
該親水阻滯漿液中,親水性無機顆粒的含量可以為50-95重量%,例如,50重量%、52重量%、55重量%、57重量%、60重量%、62重量%、65重量%、67重量%、70重量%、72重量%、75重量%、77重量%、80重量%、82重量%、85重量%、87重量%、90重量%、92重量%、95重量%,較佳為70-95重量%,更佳為80-95重量%,進一步較佳為85-95重量%。黏合劑的用量可以根據親水性無機顆粒的用量進行選擇,以能將親水性無機顆粒黏合並固定為准。一般地,該親水阻滯漿液中,相對於100重量份親水性無機顆粒,該黏合劑的含量可以為1-30重量份,較佳為2-25重量份,更佳為5-20重量份。
該親水阻滯漿液還可以含有分散劑,以進一步提高親水阻滯漿液的穩定性。該分散劑可以為常見的可以促進無機顆粒在液體介質中的分散性的物質,其具體實例可以包括但不限於聚乙烯醇(PVA)和/或聚丙烯酸鈉(PAANa)。該分散劑的用量可以為常規選擇。一般地,相對於100重量份親水性無機顆粒,該分散劑的用量可以為0.1-10重量份,較佳為0.2-5重量份,更佳為0.3-2重量份。
該親水阻滯漿液還可以含有增稠劑,以進一步提高親水阻滯漿液的可塗佈性能。該增稠劑可以為纖維素型增稠劑和/或聚丙烯酸酯類堿溶脹型增稠劑(如巴斯夫Latekoll D增稠劑)。相對於100重量份親水性無機顆粒,該增稠劑的用量可以為0.1-10重量份,較佳為0.5-5重量份,更佳為0.8-2重量份。
較佳地,將該親水阻滯漿液的pH值調節為鹼性,較佳為8-10,例如8、8.2、8.5、8.7、9.0、9.2、9.5、9.7、10.0。
該親水阻滯漿液的固含量較佳為2-30重量%,例如2重量%、3重量%、重量%、4重量%、5重量%、7重量%、10重量%、12重量%、15重量%、17重量%、20重量%、22重量%、25重量%、27重量%、30重量%,更佳為5-25重量%。
該親水阻滯漿液在該多孔基材表面的塗佈量可以根據預期的親水性阻滯層的厚度進行選擇。一般地,該親水阻滯漿液的塗佈量使得該親水性阻滯層的厚度為0.1-3μm,例如:0.1μm、0.2μm、0.3μm、0.4μm、0.5μm、0.6μm、0.7μm、0.8μm、0.9μm、1μm、1.1μm、1.2μm、1.3μm、1.4μm、1.5μm、1.6μm、1.7μm、1.8μm、1.9μm、2μm、2.1μm、2.2μm、2.3μm、2.4μm、2.5μm、2.6μm、2.7μm、2.8μm、2.9μm、或者3μm。較佳地,該親水阻滯漿液的塗佈量使得該親水性阻滯層的厚度為0.1-1μm,更佳為0.3-0.8μm。
步驟(1)中,可以將親水阻滯塗層乾燥形成親水性阻滯層後塗佈極性聚合物黏結劑溶液,也可以不將親水阻滯塗層乾燥,而是直接在親水阻滯塗層表面塗佈極性聚合物黏結劑溶液。較佳地,將親水阻滯塗層乾燥形成親水性阻滯層後塗佈極性聚合物黏結劑溶液,這樣能進一步提高最終製備的聚合物隔膜的透氣性和離子電導率,並進一步提高採用該聚合物隔膜的鋰離子電池的性能。
步驟(1)中,該乾燥的溫度可以為10-120℃。較佳地,該乾燥的溫度為不高於100℃。更佳地,該乾燥的溫度為不高於80℃,例如10-80℃,具體可以為10℃、15℃、20℃、25℃、30℃、35℃、40℃、45℃、50℃、55℃、60℃、65℃、70℃、75℃、或者80℃。較佳地,該乾燥的溫度為40-60℃,如50-60℃。步驟(1)中,該乾燥可以在常壓下進行,也可以在減壓下進行。較佳地,該乾燥在常壓下進行。該乾燥可以在鼓風乾燥箱中進行。步驟(1)中,該乾燥的持續時間可以根據乾燥的溫度以及採用的分散劑的種類進行選擇。一般地,步驟(1)中該乾燥的持續時間可以為0.1-24小時,例如0.1小時、0.2小時、0.5小時、0.7小時、1小時、1.2小時、1.5小時、1.7小時、2.0小時、2.2小時、2.5小時、2.7小時、3.0小時、3.2小時、3.5小時、3.7小時、4.0小時、4.2小時、4.5小時、4.7小時、5.0小時、5.2小時、5.5小時、5.7小時、6.0小時、6.2小時、6.5小時、6.7小時、7.0小時、7.2小時、7.5小時、7.7小時、8.0小時、8.2小時、8.5小時、8.7小時、9.0小時、9.2小時、9.5小時、9.7小時、10.0小時、10.5小時、11小時、11.5小時、12小時、12.5小時、13小時、13.5小時、14小時、14.5小時、15小時、15.5小時、16小時、16.5小時、17小時、17.5小時、18小時、18.5小時、19小時、19.5小時、20.0小時、20.5小時、21小時、21.5小時、22小時、22.5小時、23小時、23.5小時、24小時,較佳為5-18小時,更佳為8-15小時。
根據本發明的方法,該親水性阻滯層與水的接觸角可以為不高於40°,例如1°、2°、3°、4°、5°、6°、7°、8°、9°、10°、11°、12°、13°、14°、15°、16°、17°、18°、19°、20°、21°、22°、23°、24°、25°、26°、27°、28°、29°、30°、31°、32°、33°、34°、35°、36°、37°、38°、39°、或者40°。較佳地,該親水性阻滯層與水的接觸角不高於20°。在該親水性阻滯層與水接觸角不高於20°時,能更為明顯地提高聚合物隔膜的性能,例如:更為明顯地提高聚合物隔膜的透氣性和離子電導率,使得採用該聚合物隔膜的鋰離子電池顯示出更為優異的性能。更佳地,步驟(1)形成的親水性阻滯層與水的接觸角為2-18°,更佳為5-15°。
步驟(2)中,該極性聚合物黏結劑溶液含有有機溶劑以及分散在該有機溶劑中的極性聚合物黏結劑和造孔劑。
該極性聚合物黏結劑可以為聚偏二氟乙烯、偏氟乙烯和六氟丙烯的共聚物、以及偏氟乙烯和丙烯酸酯的共聚物中的一種或兩種以上。
該有機溶劑可以為低沸點有機溶劑(沸點低於60℃的有機溶劑),例如丙酮;也可以為高沸點溶劑,例如沸點為60℃以上的溶劑;還可以為低沸點溶劑和高沸點溶劑的混合物。對於低沸點溶劑和高沸點溶劑的混合物,從進一步提高操作安全性的角度出發,較佳將低沸點溶劑的含量控制為不高於發生燃爆的安全臨界值。
在一種實施方式中,該有機溶劑為低沸點溶劑,較佳為丙酮。根據該實施方式,在較佳條件下,製備的聚合物隔膜和鋰離子電池顯示出更為優異的性能,特別是採用該聚合物隔膜製備的鋰離子電池顯示出明顯提高的大倍率放電性能和高溫性能。該較佳條件包括:該親水性無機顆粒的粒徑較佳為1nm至2μm,更佳為10nm至1μm,進一步較佳為20nm至800nm,更進一步較佳為50nm至350nm,該親水性阻滯層與水的接觸角較佳為20°以下,並且步驟(2)中該乾燥在不高於60℃的溫度下進行。
在另一種實施方式中,該有機溶劑為高沸點溶劑,例如沸點為60℃以上的有機溶劑(如60-260℃),較佳沸點為120℃以上的有機溶劑(如120-260℃),更佳沸點為140℃以上的有機溶劑(如140-260℃)。進一步較佳地,該有機溶劑的沸點為145-260℃,如150-230℃。該有機溶劑的具體實例可以包括但不限於磷酸三乙酯、N-甲基吡咯烷酮、N,N-二甲基乙醯胺、N,N-二甲基甲醯胺、以及二甲基亞碸中的一種或兩種以上。根據該實施方式,能提高操作安全性。
在又一種實施方式中,該有機溶劑為低沸點溶劑和高沸點溶劑的混合。該低沸點溶劑和該高沸點溶劑各自與前文所述相同。在該實施方式中,以有機溶劑的總量為基準,高沸點溶劑的含量可以為0.1-99.9重量%,較佳為20-90重量%,更佳為40-70重量%,進一步較佳為45-55重量%;低沸點溶劑的含量可以為0.1-99.9重量%,較佳為10-80重量%,更佳為30-60重量%,進一步較佳為45-55重量%。
該造孔劑為在步驟(3)該乾燥條件下能形成揮發性氣體的物質。採用在步驟(3)該乾燥條件下能形成揮發性氣體的物質作為造孔劑,在步驟(3)中進行乾燥時,在有機溶劑自身成孔的基礎上輔助成孔。該造孔劑較佳為在塗佈溫度下為固體,而在乾燥條件下能形成揮發性氣體的物質。該造孔劑更佳為乾冰。
該極性聚合物黏結劑溶液中,相對於100重量份有機溶劑,該造孔劑的重量比可以為0.5-5重量份,例如,0.5重量%、0.6重量%、0.7重量%、0.8重量%、0.9重量%、1.0重量%、1.2重量%、1.4重量%、1.6重量%、1.8重量%、2.0重量%、2.2重量%、2.4重量%、2.6重量%、2.8重量%、3.0重量%、3.2重量%、3.4重量%、3.6重量%、3.8重量%、4.0重量%、4.2重量%、4.4重量%、4.6重量%、4.8重量%、5.0重量%,較佳為0.8-3重量份,更佳為1-2重量份。
步驟(2)中,該極性聚合物黏結劑溶液中極性聚合物黏結劑的濃度為1-30重量%,例如1重量%、2重量%、3重量%、4重量%、5重量%、6重量%、7重量%、8重量%、9重量%、10重量%、11重量%、12重量%、13重量%、14重量%、15重量%、16重量%、17重量%、18重量%、19重量%、20重量%、21重量%、22重量%、23重量%、24重量%、25重量%、26重量%、27重量%、28重量%、29重量%、30重量%,較佳為2-25重量%。從進一步提高最終製備的聚合物隔膜的性能以及採用該聚合物隔膜的鋰離子電池性能的角度出發,該極性聚合物黏結劑溶液中極性聚合物黏結劑的濃度更佳為5-20重量%。進一步較佳地,該極性聚合物黏結劑溶液中極性聚合物黏結劑的濃度為臨界濃度(一般為8-15重量%,較佳為10-12重量%)。該臨界濃度是指極性聚合物黏結劑溶液透過多孔基材的濃度,可以在25℃、1標準大氣壓且相對濕度為RH45%~55%的環境下,將極性聚合物黏結劑溶液塗佈在多孔基材一個表面,觀察極性聚合物黏結劑溶液在1小時內是否透過多孔基材,將處於透過多孔基材的濃度和不透過多孔基材的濃度之間的濃度作為臨界濃度。在該極性聚合物黏結劑的濃度為臨界濃度時,極性聚合物黏結劑在溶液中,微觀上呈凝膠狀,單分子難以流動擴散,這樣能加強極性聚合物分子之間的相互作用,在溶劑蒸發過程中形成理想的物理交聯網路結構,從而使得聚合物隔膜具有更為優異的透氣性和離子電導率,採用該聚合物隔膜的鋰離子電池具有更為優異的性能。
該極性聚合物黏結劑溶液的塗佈量可以根據預期的極性聚合物黏結層的厚度進行選擇。該極性聚合物黏結劑溶液的塗佈量可以使得最終形成的多孔極性聚合物黏結層的厚度為0.1-10μm,例如,0.1μm、0.2μm、0.3μm、0.4μm、0.5μm、0.6μm、0.7μm、0.8μm、0.9μm、1.0μm、1.2μm、1.5μm、1.6μm、1.7μm、2.0μm、2.2μm、2.5μm、2.7μm、3.0μm、3.2μm、3.5μm、3.7μm、4.0μm、4.2μm、4.5μm、4.7μm、5.0μm、5.2μm、5.4μm、5.7μm、6.0μm、6.2μm、6.5μm、6.7μm、7.0μm、7.2μm、7.5μm、7.7μm、8.0μm、8.2μm、8.5μm、8.7μm、9.0μm、9.2μm、9.4μm、9.7μm、10μm,較佳為0.2-5μm,更佳為0.7-3μm,進一步較佳為0.8-1.5μm。
步驟(3)中,該乾燥可以在不高於120℃的溫度下進行。較佳地,該乾燥在不高於60℃的溫度下進行,可以為10-60℃,例如:10℃、15℃、20℃、25℃、30℃、35℃、40℃、45℃、50℃、55℃、或者60℃。在不高於60℃的溫度下進行乾燥,能使得極性聚合物黏結層具有更為優異的孔結構,從而能進一步提高最終製備的聚合物隔膜的透氣性和離子電導率,並進一步提高採用該聚合物隔膜的鋰離子電池的性能。更佳地,該乾燥在20-55℃的溫度下進行。進一步較佳地,該乾燥在30-45℃的溫度下進行。該乾燥的持續時間可以根據乾燥的溫度進行選擇。具體地,該乾燥的持續時間可以為0.1-36小時,較佳為5-30小時,更佳為8-24小時,進一步較佳為10-24小時。
步驟(1)和步驟(2)中,可以採用常規塗佈方法,例如輥塗法、噴塗法、浸入塗佈法和絲網印刷法中的一種或兩種以上的組合。
根據本發明的方法,製備的聚合物隔膜中,可以在多孔基材的單面形成親水性阻滯層和多孔極性聚合物黏結層,也可以在多孔基材的雙面形成親水性阻滯層和多孔極性聚合物黏結層。
根據本發明的方法,在一種實施方式中,最終製備的聚合物隔膜由多孔基材、親水性阻滯層和多孔極性聚合物黏結層組成,該多孔基材為多孔聚合物膜,該親水性阻滯層附著在該多孔基材的表面,該多孔極性聚合物黏結層附著在該親水性阻滯層的表面。根據該實施方式,可以在多孔基材的一個表面依次設置該親水性阻滯層和該多孔極性聚合物黏結層(即,聚合物隔膜具有以下結構:多孔聚合物膜|親水性阻滯層|多孔極性聚合物黏結層),也可以在多孔基材的兩個相對的表面各自設置該親水性阻滯層和該多孔極性聚合物黏結層(即,聚合物隔膜具有以下結構:多孔極性聚合物黏結層|親水性阻滯層|多孔聚合物膜|親水性阻滯層|多孔極性聚合物黏結層)。
根據本發明的方法,在另一種實施方式中,最終製備的聚合物隔膜由多孔基材、親水性阻滯層和多孔極性聚合物黏結層組成,該多孔基材為多孔聚合物膜和陶瓷膜的複合膜。根據該實施方式,在一個實例中,該陶瓷膜附著在該多孔聚合物膜的表面,該親水性阻滯層附著在該陶瓷膜的表面,該多孔極性聚合物黏結層附著在該親水性阻滯層的表面(即,聚合物隔膜具有以下結構:多孔聚合物膜|陶瓷膜|親水性阻滯層|多孔極性聚合物黏結層)。在另一個實例中,該多孔聚合物膜附著在該陶瓷層的表面,該親水性阻滯層附著在該多孔聚合物膜的表面,該多孔極性聚合物黏結層附著在該親水性阻滯層的表面(即,聚合物隔膜具有以下結構:陶瓷膜|多孔聚合物膜|親水性阻滯層|多孔極性聚合物黏結層)。在又一個實例中,陶瓷膜附著在多孔聚合物膜的表面,該陶瓷膜和該多孔聚合物膜的另一個表面各自依次附著親水性阻滯層和多孔極性聚合物黏結層(即,聚合物隔膜具有以下結構:多孔極性聚合物黏結層|親水性阻滯層|陶瓷膜|多孔聚合物膜|親水性阻滯層|多孔極性聚合物黏結層)。
根據本發明的第三方面,本發明提供了由本發明第二方面所述方法製備的聚合物隔膜。
由本發明第二方面所述方法製備的聚合物隔膜,其總厚度可以為常規選擇,一般可以為5-50μm,例如5μm、8μm、9μm、10μm、11μm、12μm、13μm、15μm、18μm、20μm、23μm、25μm、28μm、30μm、32μm、35μm、38μm、40μm、42μm、44μm、46μm、48μm、50μm,較佳為8-30μm,更佳為10-20μm。
由本發明第二方面所述方法製備的聚合物隔膜,具有較高的透氣性。一般地,由本發明第二方面所述方法製備的聚合物隔膜,Gurley值為100-900Sec/100mL,例如100Sec/100mL、120Sec/100mL、150Sec/100mL、170Sec/100mL、190Sec/100mL、200Sec/100mL、220Sec/100mL、250Sec/100mL、270Sec/100mL、290Sec/100mL、300Sec/100mL、325Sec/100mL、350Sec/100mL、370Sec/100mL、390Sec/100mL、400Sec/100mL、425Sec/100mL、450Sec/100mL、480Sec/100mL、500Sec/100mL、520Sec/100mL、550Sec/100mL、575Sec/100mL、600Sec/100mL、625Sec/100mL、650Sec/100mL、675Sec/100mL、690Sec/100mL、700Sec/100mL、720Sec/100mL、740Sec/100mL、770Sec/100mL、790Sec/100mL、800Sec/100mL、825Sec/100mL、850Sec/100mL、875Sec/100mL、900Sec/100mL,較佳為120-600Sec/100mL,更佳為120-500Sec/100mL。進一步較佳地,由本發明第二方面所述方法製備的聚合物隔膜的Gurley值為150-350Sec/100mL,如200-300Sec/100mL。
根據本發明的第四方面,本發明提供了本發明第一方面或者第三方面所述的聚合物隔膜在鋰離子電池中的應用。
根據本發明的第五方面,本發明提供了一種鋰離子電池,該鋰離子電池包括正極極片、負極極片、以及聚合物隔膜,其中,聚合物隔膜為本發明第一方面或者第三方面所述的聚合物隔膜。
該正極極片是由用於鋰離子電池的正極材料、導電劑和黏結劑調成漿料塗佈於鋁箔上製成。所用的正極材料包括任意可用於鋰離子電池的正極材料,例如,氧化鈷鋰(LiCoO2
)、氧化鎳鋰(LiNiO2
)、氧化錳鋰(LiMn2
O4
)和磷酸亞鐵鋰(LiFePO4
)中的一種或兩種以上。該負極極片是由用於鋰離子電池的負極材料、導電劑和黏結劑調成漿料塗佈於銅箔上製成。所用負極材料包括任意可用於鋰離子電池的負極材料,例如,石墨、軟碳、硬碳中的一種或兩種以上。
根據本發明的鋰離子電池,可以含有電解液,也可以不含有電解液。該電解液為本領域技術人員公知,含有鋰鹽和有機溶劑。該鋰鹽可以為可離解的鋰鹽,例如,可以為選自六氟磷酸鋰(LiPF6
)、高氯酸鋰(LiClO4
)和四氟硼酸鋰(LiBF4
)中的一種或兩種以上。該有機溶劑可以為選自碳酸乙烯酯(EC)、碳酸丙烯酯(PC)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸甲乙酯(EMC)和碳酸二乙酯(DEC)和碳酸亞乙烯酯(VC)中的一種或兩種以上。較佳地,該電解液中,鋰鹽的濃度可以為0.8-1.5mol/L。
根據本發明的鋰離子電池可以採用包括以下步驟的方法製備:
S1、採用本發明第二方面所述的方法製備聚合物隔膜;
S2、將該聚合物隔膜設置在正極極片和負極極片之間,形成電池極芯後,進行封裝。
S1、採用本發明第二方面所述的方法製備聚合物隔膜;
S2、將該聚合物隔膜設置在正極極片和負極極片之間,形成電池極芯後,進行封裝。
步驟S2可以採用鋰離子電池製備技術領域的常規方法進行,本發明對此沒有特別限定。步驟S2中,可以向電池極芯中灌裝電解液,也可以不灌裝電解液直接進行封裝。
以下結合實施例詳細說明本發明,但並不因此限定本發明的範圍。
以下實施例和對比例涉及以下測試方法。
(1)面密度採用重量法測定。
(2)親水性阻滯層和水的接觸角採用GB/T30693-2014 塑膠薄膜與水接觸角的測量中規定的方法。
(3)粒徑採用鐳射細微性儀測定,為體積平均粒徑。
(4)比表面積採用GB/T 19587-2004 氣體吸附BET法測定固態物質比表面積中規定的方法。
(1)面密度採用重量法測定。
(2)親水性阻滯層和水的接觸角採用GB/T30693-2014 塑膠薄膜與水接觸角的測量中規定的方法。
(3)粒徑採用鐳射細微性儀測定,為體積平均粒徑。
(4)比表面積採用GB/T 19587-2004 氣體吸附BET法測定固態物質比表面積中規定的方法。
實施例1-1至1-4用於製備根據本發明的親水性阻滯層。
實施例1-1
實施例1-1
將用氣相法製備的親水性二氧化矽(比表面積為380m2
/g,粒徑為80nm,購自阿拉丁)、丙烯酸酯類黏合劑(P1005,購自上海愛高化工有限公司)、分散劑(PVA,購自阿拉丁)、分散劑(PAANa,購自日本昭和電工)、作為增稠劑的羧甲基纖維素(CMC,購自日本大賽璐)以固含量95:5:0.4:0.4:1.5(重量比)分散在水中,控制固含量為8重量%,調節漿液的pH值為8.5,攪拌均勻,形成親水阻滯漿液。將親水阻滯漿液以凹版輥塗佈的方法,塗佈至單面陶瓷隔膜(9μmPE+2μm陶瓷層,陶瓷層中的陶瓷顆粒為微米級三氧化二鋁陶瓷顆粒,購自山東國瓷,下同)兩側,在55℃乾燥12小時,得到具有親水性阻滯層的隔膜,其中,親水性阻滯層的厚度為0.5μm,親水性阻滯層和水的接觸角為7°。第1A圖和第1B圖示出了該親水性阻滯層的SEM形貌圖片
實施例1-2
實施例1-2
將用沉澱法製備的親水性二氧化矽(比表面積為370m2
/g,粒徑為150nm,購自阿拉丁)、丙烯酸酯類黏合劑(P1005,購自上海愛高化工有限公司)、分散劑(PVA)、分散劑(PAANa)、增稠劑Latekoll D(購自巴斯夫)以固含量95:8:0.4:0.4:1.0(重量比)分散在水中,控制漿液的固含量為6重量%,調節漿液的pH值為9.6,攪拌均勻,形成親水阻滯漿液。將親水阻滯漿液以凹版輥塗佈的方法,塗佈至單面陶瓷隔膜兩側,在50℃乾燥14小時,得到具有親水性阻滯層的隔膜,其中,親水性阻滯層的厚度為0.7μm,親水性阻滯層和水的接觸角為11°。
實施例1-3
實施例1-3
將用氣相法製備的親水性三氧化二鋁(比表面積為350m2
/g,粒徑為200nm,購自阿拉丁)、丙烯酸酯類黏合劑(P2010,購自上海愛高化工有限公司)、分散劑(PVA)、分散劑(PAANa)、增稠劑Latekoll D(購自巴斯夫)以固含量95:10:0.4:0.4:1.4(重量比)分散在水中,控制漿液的固含量為22重量%,調節漿液的pH值為8.2,攪拌均勻,形成親水阻滯漿液。將親水阻滯漿液以噴塗的方法,塗佈至單面陶瓷隔膜兩側,在50℃乾燥8小時,得到具有親水性阻滯層的隔膜,其中,親水性阻滯層的厚度為0.6μm,親水性阻滯層和水的接觸角為13°。
實施例1-4
實施例1-4
將用氣相法製備的親水性三氧化二鋁(比表面積為320m2
/g,粒徑為320nm,購自阿拉丁)、丙烯酸酯類黏合劑(P2010,購自上海愛高化工有限公司)、分散劑(PVA)、分散劑(PAANa)、增稠劑Latekoll D(購自巴斯夫)以固含量95:12:0.4:0.4:0.8(重量比)分散在水中,控制漿液的固含量為15重量%,調節漿液的pH為9.5,攪拌均勻,形成親水阻滯漿液。將親水阻滯漿液以凹版輥塗佈的方法,塗佈至單面陶瓷隔膜兩側,在50℃乾燥12小時,得到具有親水性阻滯層的隔膜,其中,親水性阻滯層的厚度為0.8μm,親水性阻滯層和水的接觸角為12°。
以下實施例用於製備根據本發明的聚合物隔膜以及鋰離子電池。
實施例2-1A
實施例2-1A
(1)將P(VdF-HFP)粉末(Kynar powerflex LBG粉末,購自阿科瑪,下同)溶解於N,N-二甲基甲醯胺中,控制P(VdF-HFP)的濃度為臨界濃度(為10重量%),攪拌均勻。將攪拌形成的溶液的溫度降至20℃,加入乾冰,得到極性聚合物黏結劑溶液,其中,相對於100重量份N,N-二甲基甲醯胺,乾冰的加入量為1重量份。
將極性聚合物黏結劑溶液以凹版輥塗佈的方法,塗佈至實施例1-1製備的具有親水性阻滯層的隔膜兩側的親水性阻滯層表面,在45℃鼓風烘乾10小時,形成多孔極性聚合物黏結層,從而得到根據本發明的聚合物隔膜。
(2)將LiCoO2
、PVDF黏結劑和炭黑按照質量比100:0.8:0.5調成漿料塗佈於鋁箔上並烘乾製成厚度為0.114mm的LiCoO2
正極極片。
將丁苯橡膠(SBR)和羧甲基纖維素(CMC)分散在水中,與人造石墨、導電劑按照質量比為2.5:1.5:90:6在室溫(25℃)高速攪拌3.5小時,將攪拌好的材料塗於銅箔上並烘乾製成厚度為0.135mm的石墨負極極片。
將丁苯橡膠(SBR)和羧甲基纖維素(CMC)分散在水中,與人造石墨、導電劑按照質量比為2.5:1.5:90:6在室溫(25℃)高速攪拌3.5小時,將攪拌好的材料塗於銅箔上並烘乾製成厚度為0.135mm的石墨負極極片。
(3)在乾燥房中,將LiCoO2
正極極片、石墨負極極片和步驟(2)製備的聚合物隔膜以捲繞的方式製備CSL454187型LiCoO2
/石墨軟包鋰離子電池極芯,灌裝電解液後進行封裝得到鋰離子電池;其中,原陶瓷面朝向正極,電解液中的電解質為六氟磷酸鋰,其濃度為1mol/L,有機溶劑為EC、EMC和DEC按重量比1:1:1混合得到的混合液。
實施例2-1B
實施例2-1B
實施例2-1B採用與實施例2-1A相同的方法製備鋰離子電池,不同的是,步驟(1)中,將極性聚合物黏結劑溶液以浸入塗佈法,塗佈至實施例1-3製備的具有親水性阻滯層的隔膜兩側的親水性阻滯層表面,其中,將具有親水性阻滯層的隔膜浸入極性聚合物黏結劑溶液中,浸漬時間為30秒。
實施例2-2A
實施例2-2A
實施例2-2A採用與實施例2-1A相同的方法製備鋰離子電池,不同的是,採用以下方法製備聚合物隔膜:將P(VdF-HFP)粉末溶解於N-甲基吡咯烷酮中,控制P(VdF-HFP)的濃度為臨界濃度(為12重量%),攪拌均勻。將攪拌形成的溶液的溫度降至20℃,加入乾冰,得到極性聚合物黏結劑溶液,其中,相對於100重量份N-甲基吡咯烷酮,乾冰的加入量為1.5重量份。將極性聚合物黏結劑溶液以凹版輥塗佈的方法,分別塗佈至實施例1-2製備的具有親水性阻滯層的隔膜兩側的親水性阻滯層表面,在35℃鼓風烘乾24小時,形成多孔極性聚合物黏結層,從而得到根據本發明的聚合物隔膜。
實施例2-2B
實施例2-2B
實施例2-2B採用與實施例2-2A相同的方法製備鋰離子電池,不同的是,步驟(1)中,將極性聚合物黏結劑溶液以浸入塗佈法,塗佈至實施例1-4製備的具有親水性阻滯層的隔膜兩側的親水性阻滯層表面,其中,將具有親水性阻滯層的隔膜浸入極性聚合物黏結劑溶液中,浸漬時間為30秒。
實施例2-3A
實施例2-3A
實施例2-3A採用與實施例2-1A相同的方法製備鋰離子電池,不同的是,採用以下方法製備聚合物隔膜:將P(VdF-HFP)粉末溶解於磷酸三乙酯中,控制P(VdF-HFP)的濃度為臨界濃度(為12重量%),攪拌均勻。將攪拌形成的溶液的溫度降至20℃,加入乾冰,得到極性聚合物黏結劑溶液,其中,相對於100重量份磷酸三乙酯,乾冰的加入量為1.8重量份。將極性聚合物黏結劑溶液以凹版輥塗佈的方法,塗佈至實施例1-2製備的具有親水性阻滯層的隔膜兩側的親水性阻滯層表面,在30℃鼓風烘乾24小時,形成多孔極性聚合物黏結層,從而得到根據本發明的聚合物隔膜。
實施例2-3B
實施例2-3B
實施例2-3B採用與實施例2-3A相同的方法製備鋰離子電池,不同的是,步驟(1)中,將極性聚合物黏結劑溶液以浸入塗佈法,塗佈至實施例1-3製備的具有親水性阻滯層的隔膜兩側的親水性阻滯層表面,其中,將具有親水性阻滯層的隔膜浸入極性聚合物黏結劑溶液中,浸漬時間為30秒。
對比例1
對比例1
採用與實施例2-1A相同的方法製備聚合物隔膜和鋰離子電池,不同的是,步驟(1)中,具有親水性阻滯層的隔膜用實施例1-1中的單面陶瓷隔膜(9μmPE+2μm陶瓷層)代替,即極性聚合物黏結劑溶液直接塗佈至單面陶瓷隔膜兩側表面,並且N,N-二甲基甲醯胺用等重量的丙酮代替,得到聚合物隔膜(該聚合物隔膜不具有親水性阻滯層)。
對比例2
對比例2
採用與實施例2-3B相同的方法製備聚合物隔膜和鋰離子電池,不同的是,在製備聚合物隔膜時,具有親水性阻滯層的隔膜用實施例1-3中的單面陶瓷隔膜(9μmPE+2μm陶瓷層)代替,即極性聚合物黏結劑溶液直接塗佈至單面陶瓷隔膜兩側表面,並且磷酸三乙酯用等重量的丙酮代替,得到聚合物隔膜(該聚合物隔膜不具有親水性阻滯層)。
對比例3
對比例3
採用與實施例2-1A相同的方法製備聚合物隔膜和鋰離子電池,不同的是,極性聚合物黏結劑溶液不含乾冰。
對比例4
對比例4
採用與實施例2-1A相同的方法製備聚合物隔膜和鋰離子電池,不同的是,在製備聚合物隔膜時,具有親水性阻滯層的隔膜用實施例1-3中的單面陶瓷隔膜(9μmPE+2μm陶瓷層)代替,即極性聚合物黏結劑溶液直接塗佈至單面陶瓷隔膜兩側表面,得到聚合物隔膜(該聚合物隔膜不具有親水性阻滯層)。
實施例3
實施例3
採用與實施例2-1B相同的方法製備聚合物隔膜和鋰離子電池,不同的是,步驟(1)中,不是在35℃鼓風烘乾20小時,而是在120℃鼓風烘乾8小時。
實施例4
實施例4
採用與實施例2-1B相同的方法製備聚合物隔膜和鋰離子電池,不同的是,在製備極性聚合物黏結劑溶液時,控制P(VdF-HFP)的濃度為4重量%(非臨界濃度)。
實施例5
實施例5
採用與實施例2-1B相同的方法製備聚合物隔膜和鋰離子電池,不同的是,在製備極性聚合物黏結劑溶液時,控制P(VdF-HFP)的濃度為22重量%(非臨界濃度)。
實施例6
實施例6
採用與實施例2-1B相同的方法製備聚合物隔膜和鋰離子電池,不同的是,在製備極性聚合物黏結劑溶液時,N,N-二甲基甲醯胺用等重量的丙酮代替。
實施例7
實施例7
採用與實施例2-1B相同的方法製備聚合物隔膜和鋰離子電池,不同的是,在製備極性聚合物黏結劑溶液時,N,N-二甲基甲醯胺用等重量的丙酮和N,N-二甲基醯胺的混合液代替,該混合液中,丙酮與N,N-二甲基甲醯胺的重量比為1:1。
實施例8
實施例8
採用與實施例1-1相同的方法製備具有親水性阻滯層的隔膜,不同的是,步驟(1)中,氣相法親水性二氧化矽用石英(比表面積為10m2
/g,粒徑為10μm)代替,從而得到具有親水性阻滯層的隔膜,形成的親水性阻滯層和水的接觸角為38°;採用與實施例2-1A相同的方法製備聚合物隔膜和鋰離子電池,不同的是,採用實施例8製備的具有親水性阻滯層的隔膜。
實施例9
實施例9
採用與實施例1-3相同的方法製備具有親水性阻滯層的隔膜,不同的是,氣相法親水性三氧化二鋁用醇鋁法三氧化二鋁(比表面積為130m2
/g,粒徑為5μm)代替,從而得到具有親水性阻滯層的隔膜,形成的親水性阻滯層和水的接觸角為32°;採用與實施例2-1B相同的方法製備聚合物隔膜和鋰離子電池,不同的是,採用實施例9製備的具有親水性阻滯層的隔膜。
實施例10
實施例10
實施例10採用與實施例2-1B相同的方法製備鋰離子電池,不同的是,步驟(1)中,將極性聚合物黏結劑溶液以噴塗塗佈法,塗佈至實施例1-3製備的具有親水性阻滯層的隔膜兩側的親水性阻滯層表面。
實施例11
實施例11
採用與實施例10相同的方法製備聚合物隔膜和鋰離子電池,不同的是,採用與實施例10相同的方法將親水阻滯漿液塗佈在單面陶瓷隔膜兩側之後不進行烘乾,而是直接採用實施例10的方法噴塗極性聚合物黏結劑溶液後,採用與實施例10相同的方法進行烘乾,從而得到聚合物隔膜。
測試例
(1)聚合物隔膜表面形貌的觀察:
測試例
(1)聚合物隔膜表面形貌的觀察:
採用掃描電子顯微鏡(SEM,JEOL,JSM-7600FE)觀察各實施例和對比例製備的聚合物隔膜的微觀形貌。
第2A圖和第2B圖示出了實施例2-1A製備的聚合物隔膜的SEM形貌照片,第3A圖和第3B圖示出了實施例2-1B製備的聚合物隔膜的SEM形貌照片。
由第2A圖、第2B圖、第3A圖和第3B圖可以看出,採用本發明的方法能製備多孔性頗佳的多孔極性聚合物黏結層,同時製備的多孔極性聚合物黏結層的表面具有多孔膜層。第4A圖和第4B圖示出了對比例1製備的聚合物隔膜的SEM形貌照片,第5A圖和第5B圖示出了對比例3製備的聚合物隔膜的SEM形貌照片。
將第2A圖和第2B圖與第4A圖和第4B圖進行比較可以看出,根據本發明的聚合物隔膜表面的多孔極性聚合物黏結層中的孔包括具有第一孔徑的孔和具有第二孔徑的孔,該第一孔徑為5-20μm,該第二孔徑為200nm-2μm,該親水性阻滯層的部分表面通過該多層絲網交織結構而暴露可見;對比例1製備的聚合物隔膜中的多孔極性聚合物黏結層則較為緻密,呈蜂窩狀。
將第2A圖和第2B圖與第5A圖和5B進行比較可以看出,採用本發明的方法製備的聚合物隔膜的多孔極性聚合物黏結層中的孔包括具有第一孔徑的孔和具有第二孔徑的孔,該第一孔徑為5-20μm,該第二孔徑為200nm-2μm。
(2)聚合物隔膜透氣性(Gurley值)和表觀孔隙率測試
(2)聚合物隔膜透氣性(Gurley值)和表觀孔隙率測試
採用型號為Gurley 4110N的透氣度儀進行測試。測試100mL空氣在1標準大氣壓下通過面積為1.0平方英寸的聚合物隔膜的時間。
聚合物隔膜的透氣性的測試結果列於表1。
由表1的結果可以看出,根據本發明的聚合物隔膜顯示出較好的透氣性。
聚合物隔膜的表觀孔隙率根據如下公式計算得到:
上式中,ρM為表觀密度,ρf為面密度,ρP為體密度,d為聚合物隔膜的厚度。
上式中,ρM為表觀密度,ρf為面密度,ρP為體密度,d為聚合物隔膜的厚度。
由表1的資料可以看出,根據本發明的聚合物隔膜具有較高的表觀孔隙率。
(3)聚合物隔膜熱收縮率測試
(3)聚合物隔膜熱收縮率測試
在90℃和120℃溫度下分別利用恆溫烘箱對聚合物隔膜(面積為5mm×5mm)進行等溫熱處理2h和1h,表徵聚合物隔膜的耐溫性能。
實驗結果在表1中列出,由表1的結果可知,根據本發明的聚合物隔膜具有較低的熱收縮率。
(4)聚合物隔膜拉伸強度測試
(4)聚合物隔膜拉伸強度測試
根據GB/T 13022-1991中規定的方法,使用萬能力學試驗機測定。
實驗結果在表1中列出,由表1的結果可知,根據本發明的聚合物隔膜具有較高的拉伸強度。
(5)聚合物隔膜穿刺強度測試
(5)聚合物隔膜穿刺強度測試
根據GB/T 1004-2008中規定的方法,使用萬能力學試驗機測定,鋼針直徑為1毫米。
實驗結果在表1中列出,由表1可知,根據本發明的聚合物隔膜具有較高的穿刺強度。
表1
1
:聚合物隔膜的厚度2
:極性聚合物塗層分別在聚合物隔膜兩個表面的單面面密度
(6)聚合物隔膜離子電導率測試
表1
(6)聚合物隔膜離子電導率測試
採用交流阻抗法測試,具體操作步驟如下。
聚合物隔膜裁成直徑為17mm的圓片,烘乾後,重疊三層,放在兩個不銹鋼(SS)電極之間,吸收足量電解液(電解質為六氟磷酸鋰,其濃度為1mol/L,有機溶劑為EC、EMC和DEC按重量比1:1:1混合得到的混合液),密封於2016型扣式電池中,採用電化學工作站(上海辰華,CHI 660C)進行交流阻抗實驗,交流信號頻率範圍為0.01Hz至1MHz,正弦波電位幅值為5mV,線性與實軸的交點即為聚合物隔膜的本體電阻,採用以下公式計算得到聚合物隔膜的離子電導率:
σ=L/(A•R),
其中,L表示凝膠聚合物電解質的厚度,
A為不銹鋼板與聚合物隔膜的接觸面積,
R為聚合物電解質的本體阻抗。
σ=L/(A•R),
其中,L表示凝膠聚合物電解質的厚度,
A為不銹鋼板與聚合物隔膜的接觸面積,
R為聚合物電解質的本體阻抗。
本體阻抗和聚合物隔膜的離子電導率列於表2。
由表2可知,根據本發明的聚合物隔膜顯示出優異的離子電導率。
表2
(7)聚合物隔膜對正負極黏性與剝離強度測試
表2
將製備的鋰離子電池(經過85℃,4h,1MPa熱壓)在滿電態下進行解剖,採用萬能力學試驗機測定其剝離力學強度,測定標準參照GBT 2792-2014 膠黏帶剝離強度的試驗方法;並對所得到的正負極極片和隔膜進行拍照。第6A圖和第6B圖以及第7A圖和第7B圖分別給出了實施例2-1A製備的鋰離子電池的正極和負極與聚合物隔膜剝離後的SEM形貌照片,第8A圖和第9A圖分別示出了實施例2-1A製備的鋰離子電池的正極和負極的剝離強度測試曲線圖,第8B圖和第9B圖分別示出了對比例1製備的鋰離子電池的正極和負極的剝離強度測試曲線圖作為對比。
由第6A圖和第6B圖以及第7A圖和第7B圖可知:採用本發明的聚合物隔膜製備的鋰離子電池進行剝離後,聚合物隔膜的多孔極性聚合物黏結層均黏在正極材料上;部分負極料黏在聚合物隔膜上。
由第8A圖和第8B圖可以看出,根據本發明的聚合物隔膜對鋰離子電池的正極和負極均具有較高的黏性。
(8)鋰離子電池硬度測試
(8)鋰離子電池硬度測試
測試結果在表3中列出。如表3所示,根據本發明的鋰離子電池具有較高的硬度。
表3
(9)電池常溫迴圈性能測試
表3
採用(廣州蘭奇,BK6016)鋰離子電池性能測試櫃,對實施例和對比例製備得到的分容後的鋰離子電池進行25℃迴圈性能測試,具體方法如下。
將電池分別以0.7C、0.2C充電至4.40V截止;擱置10min,以0.7C或0.2C放至3.0V,如此迴圈。表4的測試結果表明:根據本發明的鋰離子電池顯示出更為優異的迴圈性能。
表4
(10)電池高溫迴圈性能測試
表4
採用(廣州蘭奇,BK6016)鋰離子電池性能測試櫃,對實施例和對比例得到的分容後的鋰離子電池,進行45℃迴圈性能的測試。測試方法為:將電池以0.7C充電至4.40V截止;擱置10min,以0.7C放至3.0V,如此迴圈。迴圈結果見表5。
測試結果表明:根據本發明的鋰離子電池顯示出更為優異的高溫迴圈性能。由此可見,根據本發明的聚合物隔膜有利於提高電池的高溫性能。
表5
(11)電池倍率性能測試
表5
採用(廣州蘭奇,BK6016)鋰離子電池性能測試櫃,對實施例和對比例得到的分容後的鋰離子電池進行倍率放電性能測試。具體測試方法如下。
將電池用0.5C(1C=2640mA)恆流恆壓充電至4.40V,截止電流為0.02C,擱置5min,用0.2C/0.5C/1C/2C/3C/4C放電至3.0V,記錄放電容量。
倍率放電測試結果列於表6。測試結果表明,根據本發明的鋰離子電池顯示出良好的倍率放電性能。
表6
(12)電池高溫儲存性能測試
表6
對實施例和對比例得到的鋰離子電池進行85℃ 4h儲存性能測試。測試方法如下。
1)採用(廣州蘭奇,BK6016)鋰離子電池性能測試櫃將電池以0.5C充電至4.40V,0.02C截止;擱置5min,以0.2C放電至3.0V,記錄前放電容量;
2)將電池以0.5C充電至4.40V,0.02C截止;擱置1h後測試前電壓、內阻、厚度;
3)將電池放入85°C烤箱儲存4h;
4)儲存後測試立即厚度,常溫放置2h後測試冷卻厚度、後電壓、後內阻;
5)將電池以0.2C放電至3.0V;
6)以0.5C充滿電,擱置5min,以0.2C放電至3.0V,記錄恢復容量,並計算容量恢復率(恢復容量除以前容量)。
1)採用(廣州蘭奇,BK6016)鋰離子電池性能測試櫃將電池以0.5C充電至4.40V,0.02C截止;擱置5min,以0.2C放電至3.0V,記錄前放電容量;
2)將電池以0.5C充電至4.40V,0.02C截止;擱置1h後測試前電壓、內阻、厚度;
3)將電池放入85°C烤箱儲存4h;
4)儲存後測試立即厚度,常溫放置2h後測試冷卻厚度、後電壓、後內阻;
5)將電池以0.2C放電至3.0V;
6)以0.5C充滿電,擱置5min,以0.2C放電至3.0V,記錄恢復容量,並計算容量恢復率(恢復容量除以前容量)。
測試結果見表7。由表7可知:根據本發明的鋰離子電池高溫儲存後在容量保持率和容量恢復率均更好。由此可見,根據本發明的聚合物隔膜有利於提高電池的高溫性能。
表7
表7
將實施例2-1A與對比例1和對比例4進行比較、將實施例2-3B與對比例2進行比較,可以看出,通過設置親水性阻滯層,即便採用高沸點溶劑配製極性聚合物溶液,製備的鋰離子電池也具有良好的倍率放電性能,特別是在大倍率放電條件下顯示出明顯提高的放電性能。
將實施例2-1B與實施例3進行比較可以看出,將極性聚合物黏結劑塗層在不高於60℃的溫度下進行乾燥,能顯著提高製備的聚合物隔膜的透氣性和離子電導率,明顯提高最終製備的鋰離子電池的各項性能。將實施例2-1B與實施例4和5進行比較可以看出,控制極性聚合物黏結劑溶液中極性聚合物的濃度為臨界濃度,能顯著提高製備的聚合物隔膜的透氣性和離子電導率,明顯提高最終製備的鋰離子電池的各項性能。將實施例2-1A和實施例2-1B分別與實施例8和9進行比較可以看出,使得親水性阻滯層與水的接觸角為不高於20°能進一步提高最終製備的鋰離子電池的各項性能。將實施例10與實施例11進行比較可以看出,將親水阻滯塗層乾燥後塗佈極性聚合物黏結劑溶液,形成極性聚合物黏結層,能進一步提高製備的聚合物隔膜的透氣性和離子電導率,從而提高最終製備的鋰離子電池的各項性能。
以上詳細描述了本發明的較佳實施方式,但是,本發明並不限於此。在本發明的技術構思範圍內,可以對本發明的技術方案進行多種簡單變型,包括各個技術特徵以任何其它的合適方式進行組合,這些簡單變型和組合同樣應當視為本發明所揭露的內容,均屬於本發明的保護範圍。
無
第1A圖和第1B圖為實施例1-1製備的聚合物隔膜的親水性阻滯層的表面SEM形貌圖片,第1A圖為放大500倍的照片,第1B圖為放大5000倍的照片。
第2A圖和第2B圖為實施例2-1A製備的聚合物隔膜的表面SEM形貌圖片,第2A圖為放大500倍的照片,第2B圖為放大5000倍的照片。
第3A圖和第3B圖為實施例2-1B製備的聚合物隔膜的表面SEM形貌圖片,第3A圖為放大500倍的照片,第3B圖為放大5000倍的照片。
第4A圖和第4B圖為對比例1製備的聚合物隔膜的表面SEM形貌圖片,第4A圖為放大500倍的照片,第4B圖為放大5000倍的照片。
第5A圖和第5B圖為對比例3製備的聚合物隔膜的表面SEM形貌圖片,第5A圖為放大500倍的照片,第5B圖為放大5000倍的照片。
第6A圖和第6B圖為將實施例2-1A製備的聚合物隔膜與正極黏結接觸面剝離後,聚合物隔膜側(第6A圖)以及正極側(第6B圖)的SEM形貌照片。
第7A圖和第7B圖為將實施例2-1A製備的聚合物隔膜與負極黏結接觸面剝離後,聚合物隔膜側(第7A圖)以及負極側(第7B圖)的SEM形貌照片。
第8A圖和第8B圖分別為實施例2-1A(第8A圖)以及對比例1(第8B圖)製備的鋰離子電池的正極與聚合物隔膜的剝離強度測試曲線圖。
第9A圖和第9B圖分別為實施例2-1A(第9A圖)以及對比例1(第9B圖)製備的鋰離子電池的負極與聚合物隔膜的剝離強度測試曲線圖。
Claims (36)
- 一種聚合物隔膜,其中,該聚合物隔膜含有一多孔基材、一親水性阻滯層以及一多孔極性聚合物黏結層,該親水性阻滯層設置在該多孔基材和該多孔極性聚合物黏結層之間,該多孔極性聚合物黏結層的孔徑為200nm-20μm。
- 如申請專利範圍第1項所述的聚合物隔膜,其中,該多孔極性聚合物黏結層中的孔包括具有一第一孔徑的孔和具有一第二孔徑的孔,該第一孔徑為5-20μm,該第二孔徑為200nm-2μm; 較佳地,該第一孔徑為5-10μm,該第二孔徑為200nm-2μm。
- 如申請專利範圍第1項或第2項所述的聚合物隔膜,其中,該多孔極性聚合物黏結層的孔隙率為20-80%。
- 如申請專利範圍第1項所述的聚合物隔膜,其中,該多孔極性聚合物黏結層包括貫通該多孔極性聚合物黏結層的通孔。
- 如申請專利範圍第1項所述的聚合物隔膜,其中,該親水性阻滯層的水接觸角不高於40度,較佳為不高於20度,更佳為2-18度。
- 如申請專利範圍第1項或第5項所述的聚合物隔膜,其中,該親水性阻滯層含有一黏合劑以及一親水性無機顆粒,該親水性無機顆粒通過該黏合劑相互黏合。
- 如申請專利範圍第6項所述的聚合物隔膜,其中,該親水性無機顆粒為親水性Al2 O3 、親水性SiO2 、親水性SnO2 、親水性ZrO2 、親水性TiO2 、親水性SiC、親水性Si3 N4 、親水性CaO、親水性MgO、親水性ZnO、親水性BaTiO3 、親水性LiAlO2 和親水性BaSO4 中的一種或兩種以上。
- 如申請專利範圍第6項或第7項所述的聚合物隔膜,其中,該親水性無機顆粒的粒徑為1nm至10μm,較佳為1nm至5μm,更佳為1nm至2μm,進一步較佳為10nm至1μm,更進一步較佳為20nm至800nm,特別較佳為50nm至350nm。
- 如申請專利範圍第6項所述的聚合物隔膜,其中,該親水性無機顆粒的比表面積為10-600m2 /g,較佳為100-500m2 /g,更佳為150-400m2 /g。
- 如申請專利範圍第6項所述的聚合物隔膜,其中,該黏合劑為丙烯酸酯型聚合物、苯乙烯-丙烯酸酯共聚物、聚偏二氟乙烯、偏二氟乙烯-六氟丙烯共聚物、丙烯腈-丙烯酸酯共聚物、氯乙烯-丙烯酸酯共聚物和丁二烯-苯乙烯共聚物中的一種或兩種以上。
- 如申請專利範圍第6項所述的聚合物隔膜,其中,以該親水性阻滯層的總量為基準,該親水性顆粒的含量為50-95重量%,較佳為70-95重量%,更佳為80-95重量%。
- 如申請專利範圍第1項所述的聚合物隔膜,其中,該親水性阻滯層的厚度為0.1-3μm,較佳為0.1-1μm,更佳為0.3-0.8μm。
- 如申請專利範圍第1項所述的聚合物隔膜,其中,該多孔極性聚合物黏結層含有一極性聚合物,該極性聚合物為聚偏二氟乙烯、偏氟乙烯和六氟丙烯的共聚物、以及偏氟乙烯和丙烯酸酯的共聚物中的一種或兩種以上; 較佳地,該多孔極性聚合物黏結層的厚度為0.1-10μm,較佳為0.2-5μm,更佳為0.7-3μm,進一步較佳為0.8-1.5μm。
- 如申請專利範圍第1項所述的聚合物隔膜,其中,該多孔基材含有多孔聚合物層,該多孔聚合物層較佳為多孔聚烯烴層,更佳為多孔聚乙烯層、多孔聚丙烯層、多孔聚乙烯和多孔聚丙烯複合層中的一種或兩種以上。
- 如申請專利範圍第14項所述的聚合物隔膜,其中,該多孔基材還含有一陶瓷層,該陶瓷層設置在該多孔聚合物層和該親水性阻滯層之間;和/或 該多孔聚合物層設置在該陶瓷層和該親水性阻滯層之間; 較佳地,該陶瓷層的厚度為1-5μm,較佳為1.5-3μm。
- 如申請專利範圍所述的聚合物隔膜,其中,該聚合物隔膜的Gurley值為100-900Sec/100mL,較佳為120-600Sec/100mL,更佳為120-500Sec/100mL,進一步較佳為150-350Sec/100mL。
- 一種製備聚合物隔膜的方法,其中,該方法包括: (1)將一親水阻滯漿液塗佈在多孔基材的至少一表面形成一親水阻滯塗層,該親水阻滯漿液含有一分散介質、以及分散在該分散介質中的親水性無機顆粒以及黏合劑,可選地將該親水阻滯塗層乾燥,形成一親水性阻滯層; (2)將一極性聚合物黏結劑溶液塗佈在該親水阻滯塗層或者該親水性阻滯層的表面形成一極性聚合物黏結劑塗層,該極性聚合物黏結劑溶液含有一有機溶劑以及分散在該有機溶劑中的一極性聚合物黏結劑和一造孔劑; (3)將該親水阻滯塗層和該極性聚合物黏結劑塗層進行乾燥,形成一親水性阻滯層和一多孔極性聚合物黏結層,或者將該極性聚合物黏結劑塗層進行乾燥,形成一多孔極性聚合物黏結層。
- 如申請專利範圍第17項所述的方法,其中,步驟(2)中所述的造孔劑為在步驟(3)所述乾燥條件下能形成揮發性氣體的物質。
- 如申請專利範圍第17項所述的方法,其中,該親水性阻滯層的水接觸角不高於40度,較佳為不高於20度,更佳為2-18度。
- 如申請專利範圍第17項或第19項所述的方法,其中,該親水阻滯漿液的塗佈量使得最終形成的親水性阻滯層的厚度為0.1-3μm,較佳為0.1-1μm,更佳為0.3-0.8μm。
- 如申請專利範圍第17項所述的方法,其中,該親水性無機顆粒為親水性Al2 O3 、親水性SiO2 、親水性SnO2 、親水性ZrO2 、親水性TiO2 、親水性SiC、親水性Si3 N4 、親水性CaO、親水性MgO、親水性ZnO、親水性BaTiO3 、親水性LiAlO2 和親水性BaSO4 中的一種或兩種以上。
- 如申請專利範圍第17項所述的方法,其中,該親水阻滯漿液中,該親水性無機顆粒的含量為50-95重量%,較佳為70-95重量%,更佳為80-95重量%; 較佳地,相對於100重量份親水性無機顆粒,該黏合劑的含量為1-30重量份。
- 如申請專利範圍第17項所述的方法,其中,該親水性無機顆粒的粒徑為1nm至10μm,較佳為1nm至5μm,更佳為1nm至2μm,進一步較佳為10nm至1μm,更進一步較佳為20nm至800nm,特別較佳為50nm至350nm,該親水性無機顆粒的比表面積較佳為10-600m2 /g,更佳為100-500m2 /g,進一步較佳為150-400m2 /g。
- 如申請專利範圍第17項所述的方法,其中,該黏合劑為丙烯酸酯型聚合物、苯乙烯-丙烯酸酯共聚物、聚偏二氟乙烯、偏二氟乙烯-六氟丙烯共聚物、丙烯腈-丙烯酸酯共聚物、氯乙烯-丙烯酸酯共聚物和丁二烯-苯乙烯共聚物中的一種或兩種以上。
- 如申請專利範圍第17項所述的方法,其中,該分散介質為水、乙醇、異丙醇、環己烷、四氫呋喃、二氯甲烷和三氯甲烷中的一種或兩種以上。
- 如申請專利範圍第17項所述的方法,其中,該極性聚合物黏結劑溶液中,極性聚合物的濃度為1-30重量%,較佳為2-25重量%,更佳為5-20重量%; 較佳地,該極性聚合物黏結劑溶液中,該極性聚合物的濃度為臨界濃度。
- 如申請專利範圍第17項或第26項所述的方法,其中,該極性聚合物黏結劑為聚偏二氟乙烯、偏氟乙烯和六氟丙烯的共聚物、以及偏氟乙烯和丙烯酸酯的共聚物中的一種或兩種以上。
- 如申請專利範圍第17項所述的方法,其中,該有機溶劑的沸點低於60℃,該有機溶劑較佳為丙酮;或者 該有機溶劑的沸點為60-260℃,較佳為120℃以上,更佳為140℃以上,進一步較佳為150-230℃,該有機溶劑較佳為磷酸三乙酯、N-甲基吡咯烷酮、N,N-二甲基乙醯胺、N,N-二甲基甲醯胺和二甲基亞碸中的一種或兩種以上。
- 如申請專利範圍第17項和第26至第28項中任一項所述的方法,其中,該造孔劑為乾冰。
- 如申請專利範圍第17項所述的方法,其中,相對於100重量份有機溶劑,該造孔劑的重量比為0.5-5重量份,較佳為0.8-3重量份,更佳為1-2重量份。
- 如申請專利範圍第17項所述的方法,其中,該極性聚合物黏結劑溶液的塗佈量使得該多孔極性聚合物黏結層的厚度為0.1-10μm,較佳為0.2-5μm,更佳為0.7-3μm,進一步較佳為0.8-1.5μm。
- 如申請專利範圍第17項所述的方法,其中,步驟(1)中,所述乾燥在不高於120℃的溫度下進行,較佳在不高於60℃的溫度下進行,更佳在20-55℃的溫度下進行,該乾燥的持續時間較佳為0.1-36小時。
- 如申請專利範圍第17項所述的方法,其中,該多孔基材為一多孔聚合物膜、或者一多孔聚合物膜和一陶瓷膜的複合膜,該多孔聚合物膜較佳為聚烯烴膜,更佳為多孔聚乙烯膜、多孔聚丙烯膜、或者多孔聚乙烯和多孔聚丙烯複合膜; 該陶瓷膜的厚度較佳為1-5μm,較佳為1.5-3μm。
- 一種由申請專利範圍第17項至第33項中任一項所述的方法製備的聚合物隔膜。
- 如申請專利範圍第1項至第16項和第34項中任一項所述的聚合物隔膜在鋰離子電池中的應用。
- 一種鋰離子電池,該鋰離子電池包括一正極極片、一負極極片以及一聚合物隔膜,其中,該聚合物隔膜為申請專利範圍第1項至第16項和第34項中任一項所述的聚合物隔膜。
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