隔离膜、隔离膜制备方法及隔离膜制备装置

技术领域

本申请属于隔离膜技术领域，具体涉及一种隔离膜、隔离膜制备方法及隔离膜制备装置。

背景技术

近年来，以二次电池提供动力的用电装置在各类电子产品和新能源汽车等产业得到广泛应用及推广。人们对电池的循环性能提出了更高的要求。

隔离膜是二次电池的关键内层组件之一。隔离膜设置在正极极片和负极极片之间，主要起到防止正负极短路的作用，同时可以使离子通过。提升隔离膜的性能对提升电池的安全性能至关重要。

发明内容

本申请实施例提供了一种隔离膜、隔离膜制备方法及隔离膜制备装置，隔离膜具备更优良的机械强度，有效提升二次电池的安全性能。

本申请实施例的第一方面，提供了一种隔离膜，所述隔离膜的纵向拉伸强度为560MPa至580MPa，横向拉伸强度为270MPa至290MPa，孔隙率为47.5％至48％，孔径均匀性为±1.4nm至±1.5nm。

采用上述方案，所提供的隔离膜，具有更优的参数配比，能够有效提升隔离膜的机械性能

本申请实施例的第二方面，提供了一种隔离膜制备方法，包括以下步骤：

提供高分子原料并熔化；

将熔化后的高分子原料挤压流延并辊轧开孔；

拉伸定型并收卷。

采用上述方案，首先，能够替换传统的制备工艺，减少毒性物质、环保管控物的使用，如湿法制备工艺中使用的有机萃取剂二氯甲烷以及造孔剂石蜡油等，降低实际的隔离膜生产过程中对环境的污染以及对操作人员生命安全的风险隐患；其次，传统的湿法制备工艺中，由于萃取过程的反应不均匀性，易导致萃取不充分，造成所得隔离膜孔隙率不均匀，影响隔离膜的电化学性能；其三，传统的湿法制备工艺中的萃取过程，也会影响对应位置的孔隙机械结构，导致所得隔离膜的机械强度下降，影响隔离膜的使用安全性。

在本申请的一些可选实施方式中，所述提供高分子原料并熔化步骤中，高分子原料采用聚乙烯、聚丙烯及聚酰亚胺中的至少一种。

在本申请的一些可选实施方式中，所述高分子原料采用聚乙烯，按质量计，所述聚乙烯中包括分子量50万的聚乙烯30wt％至40wt％，分子量为100万的聚乙烯60wt％至70wt％。

在本申请的一些可选实施方式中，所述提供高分子原料并熔化步骤中，熔化温度为130℃至150℃。

在本申请的一些可选实施方式中，所述将熔化后的高分子原料挤压流延并辊轧开孔步骤中采用流延辊成型，且流延辊转动速度为0.1m/min至0.5m/min。

采用上述方案，流延辊使用刺孔辊进行机械开孔。

在本申请的一些可选实施方式中，拉伸定型并收卷步骤中，包括：进行纵向拉伸，再进行横向拉伸，所述纵向拉伸的拉力值为100N至500N，所述纵向拉伸的拉伸速率为3m/min至5m/min，且拉伸过程中控制膜材料温度为100℃至150℃，所述横向拉伸的300N至500N，所述横向拉伸的拉伸速率为3m/min至5m/min，且拉伸过程中控制膜材料温度为100℃至150℃。

采用上述方案，能够使所得隔离膜的厚度均一，且有效防止拉伸工序使孔隙结构损坏。

在本申请的一些可选实施方式中，所述纵向拉伸至少包括依次进行一级纵向拉伸、二级纵向拉伸及三级纵向拉伸，所述一级纵向拉伸的拉力值为100N至150N，且拉伸过程中控制膜材料温度为100℃至120℃，所述二级纵向拉伸的拉力值为150N至300N，且拉伸过程中控制膜材料温度为120℃至130℃，所述一级纵向拉伸的拉力值为300N至500N，且拉伸过程中控制膜材料温度为130℃至150℃。

采用上述方案，通过梯度变化的拉力值及温度，能够使膜材料的形变更加均匀，显著提高所得隔离膜的质量。

在本申请的一些可选实施方式中，所述纵向拉伸至少包括依次进行一级横向拉伸、二级横向拉伸及三级横向拉伸，所述一级横向拉伸的拉力值为450N至500N，且拉伸过程中控制膜材料温度为130℃至150℃，所述二级横向拉伸的拉力值为400N至450N，且拉伸过程中控制膜材料温度为120℃至130℃，所述一级横向拉伸的拉力值为300N至400N，且拉伸过程中控制膜材料温度为100℃至120℃。

采用上述方案，通过梯度变化的拉力值及温度，能够使膜材料的形变更加均匀，显著提高所得隔离膜的质量。

本申请实施例的第三方面，提供了一种隔离膜制备装置，包括流延辊，所述流延辊表面设置有由多个尖刺组成的刺层，所述刺层用于在流延过程中，使孔隙结构一体成型。

在本申请的一些可选实施方式中，所述刺层至少包括交错设置的两种形状的尖刺。

在本申请的一些可选实施方式中，所述刺层包括第一尖刺及第二尖刺，所述第一尖刺为长方形刀片状，高度为1μm至20μm，宽度为1nm至5nm，厚度为1nm至5nm，且相邻的所述第一尖刺间，纵向间距为1nm至5nm，横向间距为1nm至3nm；所述第二尖刺为圆柱形刀片状，高度为1μm至20μm，直径为1nm至5nm，相邻的所述第二尖刺间，纵向间距为1nm至5nm，横向间距为1nm至3nm。

采用上述结构，能够使所成型的孔隙结构细密，且孔型丰富，能够保证所得电池的充放电能力。

在本申请的一些可选实施方式中，所述刺层采用铜箔、镍箔、不锈钢箔或钛箔中的至少一种。

与现有技术相比，本申请实施方式的隔离膜、隔离膜制备方法及隔离膜制备装置中，通过机械成孔的设置，首先，能够替换传统的制备工艺，减少毒性物质、环保管控物的使用，如湿法制备工艺中使用的有机萃取剂二氯甲烷以及造孔剂石蜡油等，降低实际的隔离膜生产过程中对环境的污染以及对操作人员生命安全的风险隐患；其次，传统的湿法制备工艺中，由于萃取过程的反应不均匀性，易导致萃取不充分，造成所得隔离膜孔隙率不均匀，影响隔离膜的电化学性能；其三，传统的湿法制备工艺中的萃取过程，也会腐蚀影响对应位置的孔隙机械结构，导致所得隔离膜的机械强度下降，影响隔离膜的使用安全性；其四，采用机械成孔后，所得电池隔膜的纵向和横向拉伸强度得到提升。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据附图获得其他的附图。

图1为本申请中流延辊一实施方式的结构示意图。

图2为图1中A处的放大结构示意图。

图3为本申请实施例1所得隔离膜在2000放大倍数下的扫描电镜(SEM)图。

附图标记：

1、第一尖刺；2、第二尖刺。

具体实施方式

为了使本申请的发明目的、技术方案和有益技术效果更加清晰，以下结合实施例对本申请进行进一步详细说明。应当理解的是，本说明书中描述的实施例仅仅是为了解释本申请，并非为了限定本申请。

为了简便，本文仅明确地公开了一些数值范围。然而，任意下限可以与任何上限组合形成未明确记载的范围；以及任意下限可以与其它下限组合形成未明确记载的范围，同样任意上限可以与任意其它上限组合形成未明确记载的范围。此外，尽管未明确记载，但是范围端点间的每个点或单个数值都包含在该范围内。因而，每个点或单个数值可以作为自身的下限或上限与任意其它点或单个数值组合或与其它下限或上限组合形成未明确记载的范围。

在本文的描述中，当组合物被描述成含有、包含或包括特定组分时，或者当工艺被描述成含有、包含或包括特定的工艺步骤时，预期本申请组合物也主要由所述组分组成或由所述组分组成，并且本申请的工艺也主要由所述工艺步骤组成或由所述工艺步骤组成。

除非另有明确说明，术语“包括”、“包含”、“含有”、“具有”的使用通常应该解释为开放式的且非限制性的。

在本文的描述中，需要说明的是，除非另有说明，“以上”、“以下”为包含本数，“一种或多种”中的“多种”的含义是两种以上。

本申请的上述发明内容并不意欲描述本申请中的每个公开的实施方式或每种实现方式。如下描述更具体地举例说明示例性实施方式。在整篇申请中的多处，通过一系列实施例提供了指导，这些实施例可以以各种组合形式使用。在各个实例中，列举仅作为代表性组，不应解释为穷举。

隔离膜作为二次电池结构中关键的内层组件之一，其性能的好坏直接影响电池的容量、倍率、寿命以及安全等性能。隔离膜材料与电极之间的界面相容性、隔离膜对电解液的保持性均对二次电池的充放电性能、循环性能及寿命有着重要影响。

本申请发明人经研究发现，传统的隔离膜制备多采用湿法进行，其在生产过程中，需要使用有机溶剂萃取熔融嵌入膜材料中的造孔剂，实际使用过程中，前述萃取过程难以充分完成，易出现萃取不充分，造成所得隔离膜孔隙率不均匀，且萃取过程中，有机溶剂还会对所成型的孔隙结构造成腐蚀，使孔隙机构的机械强度下降，影响所得电池的使用安全性以及循环寿命。鉴于此，本申请实施方式提供了一种隔离膜制备方法及隔离膜。

本申请实施方式的提供了一种隔离膜，所述隔离膜的纵向拉伸强度为560MPa至580MPa，横向拉伸强度为270MPa至290MPa，孔隙率为47.5％至48％，孔径均匀性为±1.4nm至±1.5nm。

所提供的隔离膜，具有更优的参数配比，能够有效提升隔离膜的机械性能。

本申请实施方式的第二方面，提供了一种隔离膜制备方法，包括以下步骤：

S01、提供高分子原料并熔化；

S02、将熔化后的高分子原料挤压流延并辊轧开孔；

S03、拉伸定型并收卷。

通过使用辊轧开孔，首先，能够替换传统的制备工艺，减少毒性物质、环保管控物的使用，如湿法制备工艺中使用的有机萃取剂二氯甲烷以及造孔剂石蜡油等，降低实际的隔离膜生产过程中对环境的污染以及对操作人员生命安全的风险隐患；其次，传统的湿法制备工艺中，由于萃取过程的反应不均匀性，易导致萃取不充分，造成所得隔离膜孔隙率不均匀，影响隔离膜的电化学性能；其三，传统的湿法制备工艺中的萃取过程，也会影响对应位置的孔隙机械结构，导致所得隔离膜的机械强度下降，影响隔离膜的使用安全性。

在本申请的一些可选实施方式中，S01、提供高分子原料并熔化步骤中，高分子原料采用聚乙烯、聚丙烯、聚酰亚胺的至少一种。

在本申请的一些可选实施方式中，高分子原料采用聚乙烯，按质量计，聚乙烯中包括分子量50万的聚乙烯30wt％至40wt％，分子量为100万的聚乙烯60wt％至70wt％。示例性地，分子量50万的聚乙烯40wt％，分子量为100万的聚乙烯60wt％。

在本申请的一些可选实施方式中，S01、提供高分子原料并熔化步骤中，熔化温度为130℃至150℃。

在本申请的一些可选实施方式中，如图1所示，图1为本申请中流延辊一实施方式的结构示意图。S02、将熔化后的高分子原料挤压流延并辊轧开孔步骤中采用流延辊成型，且流延辊转动速度为0.1m/min至0.5m/min。

在本申请的一些可选实施方式中，S03、拉伸定型并收卷步骤中，包括：进行纵向拉伸，再进行横向拉伸，纵向拉伸的拉力值为100N至500N，纵向拉伸的拉伸速率为3m/min至5m/min，且拉伸过程中控制膜材料温度为100℃至150℃，横向拉伸的300N至500N，横向拉伸的拉伸速率为3m/min至5m/min，且拉伸过程中控制膜材料温度为100℃至150℃。

通过纵向拉伸、横向拉伸的依次进行，能够使所得隔离膜的厚度均一，且有效防止拉伸工序使孔隙结构损坏。

在本申请的一些可选实施方式中，纵向拉伸至少包括依次进行一级纵向拉伸、二级纵向拉伸及三级纵向拉伸，一级纵向拉伸的拉力值为100N至150N，且拉伸过程中控制膜材料温度为100℃至120℃，二级纵向拉伸的拉力值为150N至300N，且拉伸过程中控制膜材料温度为120℃至130℃，一级纵向拉伸的拉力值为300N至500N，且拉伸过程中控制膜材料温度为130℃至150℃。

通过梯度变化的拉力值及温度，能够使膜材料的形变更加均匀，显著提高所得隔离膜的质量。

在本申请的一些可选实施方式中，纵向拉伸至少包括依次进行一级横向拉伸、二级横向拉伸及三级横向拉伸，一级横向拉伸的拉力值为450N至500N，且拉伸过程中控制膜材料温度为130℃至150℃，二级横向拉伸的拉力值为400N至450N，且拉伸过程中控制膜材料温度为120℃至130℃，一级横向拉伸的拉力值为300N至400N，且拉伸过程中控制膜材料温度为100℃至120℃。

通过梯度变化的拉力值及温度，能够使膜材料的形变更加均匀，显著提高所得隔离膜的质量。

本申请实施例的第三方面，还提供了一种隔离膜制备装置，如图1所示，包括流延辊，所述流延辊表面设置有由多个尖刺组成的刺层，所述刺层用于在流延过程中，使孔隙结构一体成型。

在本申请的一些可选实施方式中，如图2所示，图2为图1中A处的放大结构示意图。刺层至少包括交错设置的两种形状的尖刺。具体地，刺层包括第一尖刺及第二尖刺时，第一尖刺阵列排布，相邻的四个第一尖刺围成四边形区域，任一第二尖刺设置于该四边形区域内。

在本申请的一些可选实施方式中，刺层包括第一尖刺及第二尖刺，第一尖刺为长方形刀片状，高度为1μm至20μm，宽度为1nm至5nm，厚度为1nm至5nm，且相邻的第一尖刺间，纵向间距为1nm至5nm，横向间距为1nm至3nm；第二尖刺为圆柱形刀片状，高度为1μm至20μm，直径为1nm至5nm，相邻的第二尖刺间，纵向间距为1nm至5nm，横向间距为1nm至3nm。

通过多种形状尖刺的设置，能够使所成型的孔隙结构细密，且孔型丰富，能够保证所得电池的充放电能力。

在本申请的一些可选实施方式中，刺层采用铜箔、镍箔、不锈钢箔或钛箔中的至少一种。示例性地，刺层采用铜箔。

下述实施例更具体地描述了本申请公开的内容，这些实施例仅仅用于阐述性说明，因为在本申请公开内容的范围内进行各种修改和变化对本领域技术人员来说是明显的。除非另有声明，以下实施例中所报道的所有份、百分比、和比值都是基于重量计，而且实施例中使用的所有试剂都可商购获得或是按照常规方法进行合成获得，并且可直接使用而无需进一步处理，以及实施例中使用的仪器均可商购获得。

实施例1

隔离膜的制备：

按质量计，将30wt％分子量为50万单位的聚乙烯，70wt％分子量为100万单位的聚乙烯，在130℃的温度下加热溶化并进行搅拌，通过模头挤压流延至流延辊。流延辊成型采用直径为800mm不锈钢辊，流延辊转速为0.5m/min。刺层采用交错设置的第一尖刺及第二尖刺成型。第一尖刺为长方形刀片状，高度为7μm，宽度为3nm，厚度为3nm，相邻第一尖刺间的纵向间距为2nm，横向间距为2nm；第二尖刺为圆柱形刀片状，高度为7μm，直径为3nm，相邻第二尖刺间的纵向间距为3nm，横向间距为2nm；

对经过流延辊轧后的膜材料进行三级纵向和横向同步拉伸，其中，一级纵向拉伸拉力值为100N，温度为100℃，二级纵向拉伸拉力值为150N，温度为120℃，三级纵向拉伸拉力值为300N，温度为130℃，纵向拉伸速率为3m/min；一级横向拉伸拉力值为450N，温度为130℃，二级横向拉伸拉力值为400N，温度为120℃，三级横向拉伸拉力值为300N，温度为100℃，拉伸速率为3m/min，获得隔离膜。

实施例2

隔离膜的制备：

本实施例与实施例1大致相同，不同之处在于：采用40wt％分子量为50万单位的聚乙烯，60wt％分子量为100万单位的聚乙烯，第一尖刺高度为1μm，宽度为1nm，厚度为1nm，相邻第一尖刺间的纵向间距为1nm，横向间距为1nm，第二尖刺高度为1μm，直径为1nm，相邻第二尖刺间的纵向间距为1nm，横向间距为1nm。

实施例3

隔离膜的制备：

本实施例与实施例1大致相同，不同之处在于：采用40wt％分子量为50万单位的聚乙烯，60wt％分子量为100万单位的聚乙烯，第一尖刺高度为15μm，宽度为5nm，厚度为5nm，相邻第一尖刺间的纵向间距为5nm，横向间距为3nm，第二尖刺高度为15μm，直径为5nm，相邻第二尖刺间的纵向间距为5nm，横向间距为3nm，一级纵向拉伸拉力值为130N，温度为110℃，二级纵向拉伸拉力值为250N，温度为125℃，三级纵向拉伸拉力值为400N，温度为140℃，一级横向拉伸拉力值为470N，温度为140℃，二级横向拉伸拉力值为430N，温度为125℃，三级横向拉伸拉力值为350N，温度为110℃。

实施例4

隔离膜的制备：

本实施例与实施例1大致相同，不同之处在于：采用40wt％分子量为50万单位的聚乙烯，60wt％分子量为100万单位的聚乙烯，第一尖刺高度为20μm，第二尖刺高度为20μm，一级纵向拉伸拉力值为150N，温度为120℃，二级纵向拉伸拉力值为300N，温度为130℃，三级纵向拉伸拉力值为500N，温度为150℃，一级横向拉伸拉力值为500N，温度为150℃，二级横向拉伸拉力值为450N，温度为130℃，三级横向拉伸拉力值为400N，温度为120℃。

对比例1

隔离膜的制备：

按质量计，40％分子量的100万单位聚乙烯与60％的石蜡油混合，在熔化温度为130℃的条件下进行加热熔化，并进行搅拌，通过模头挤压流延至流延辊成膜，对经过流延辊轧后的隔膜进行多级纵向和横向同步拉伸，将通过拉伸后的复合膜通过二氯甲烷进行萃取40min，再将通过萃取后的隔膜在100℃烘干箱中进行加热定型，并进行微量拉伸修正膜的孔形。

测试方法

用扫描电子显微镜以2000倍的放大倍数拍摄上述实施例1所得隔离膜的扫描电镜(SEM)图，结果如图3所示。

按GB 1040.3-2006的要求进行测试，采用切割法制备试样，试样的类型为2型试样。试样采用长200mm、宽25mm的长条形，夹具间距离为(100±5)mm，试验速度为(250±10)mm/min。

1)裁取5个100mm×100mm的隔离膜(宽度不足100mm的，长度方向裁取100mm)；

2)参考国标测量试样的长、宽、厚度；

3)用测量精度为0.0001g的分析天平称取试样的质量，并转换为克重；

4)按照下式1、2计算孔隙率。

其中：

ρ

m——试样的质量，单位为克(g)；

L——试样的长度，单位为米(m)；

b——试样的宽度，单位为米(m)；

p——试样的孔隙率，以％表示；

d——试样的厚度，单位为微米(um)；

ρ

用电子显微镜测量单位面积内隔膜微孔孔径，取最大值与最小值的差。

每平方米隔膜所耗费的石蜡油重量比。

每平方米隔膜所耗费的二氯甲烷重量比。

具体测试结果见表1。

表1：实施例1至4及对比例1的制备参数及测试结果

由表1可知，采用本申请所提供方式，获得的隔离膜具有优良的横向、纵向拉伸强度，且孔隙率也具有一定提高，孔隙结构中的孔径均匀性更加均匀，制备过程中，采用机械成孔，无需引入传统的湿法制备工艺中常用的萃取剂及造孔剂。

与现有技术相比，本申请实施方式的隔离膜、隔离膜制备方法及隔离膜制备装置中，通过机械成孔的设置，首先，能够替换传统的制备工艺，减少毒性物质、环保管控物的使用，如湿法制备工艺中使用的有机萃取剂二氯甲烷以及造孔剂石蜡油等，降低实际的隔离膜生产过程中对环境的污染以及对操作人员生命安全的风险隐患；其次，传统的湿法制备工艺中，由于萃取过程的反应不均匀性，易导致萃取不充分，造成所得隔离膜孔隙率不均匀，影响隔离膜的电化学性能；其三，传统的湿法制备工艺中的萃取过程，也会腐蚀影响对应位置的孔隙机械结构，导致所得隔离膜的机械强度下降，影响隔离膜的使用安全性；其四，采用机械成孔后，所得电池隔膜的纵向和横向拉伸强度得到提升。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。