一种可抑制电芯膨胀变形的复合隔膜及其制备方法

文献发布时间：2024-01-17 01:18:42

技术领域

本发明属于锂离子电池技术领域，尤其涉及一种可抑制电芯膨胀变形的复合隔膜及其制备方法。

背景技术

锂离子电池因其具有高安全性、高能量密度成为当下锂二次电池的开发重点；锂离子电池由于具有比能量大、比功率高、电压平台高、自放电小、循环寿命长、环境污染小和无记忆效应等优点，从而被广泛应用于动力、消费和储能方面。

隔膜是锂离子电池关键内层组件之一，目前隔膜占电池成本的比重为10％左右，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、循环以及安全性能等特性；因此对于隔膜的性能、孔隙度的要求也愈来愈高。锂离子电池中通常使用的隔膜孔隙率大概在40％左右，厚度一致性差，较低的孔隙率及隔膜平整性差等特点导致隔膜内阻较大，这严重影响电池循环及大倍率放电等性能，导致电芯膨胀变形，造成安全隐患。

目前通过将聚偏二氟乙烯涂层岛状分布，与极片进行热压后粘结为一体，热压之后平铺开来，部分区域没有聚偏二氟乙烯覆盖，从而留出一部分孔隙，缓解了电芯变形问题，但由于聚偏二氟乙烯是高分子材料，在高温高压条件下会完全平铺，制造的孔隙有限，对于膨胀严重的电芯，这个孔隙度还远远不够。

发明内容

鉴于相关技术中存在的问题，本申请的目的在于提供一种可抑制电芯膨胀变形的复合隔膜及其制备方法，在第一材料里面混合一部分高温高压下不变形的第二材料，从而控制孔隙高度，能够解决电芯孔隙度不足导致的电芯膨胀变形问题，实现锂离子电池的正常充放电的同时，提高其循环性能及安全性能。

为了实现上述目的，根据本申请的一方面，提供一种可抑制电芯膨胀变形的复合隔膜，包括基膜和涂覆于所述基膜至少一表面上的第一材料和第二材料，所述第二材料间隔嵌设于所述第一材料之间，所述第一材料的强度小于所述第二材料的强度，且所述第一材料可在热压下发生形变形成有膨胀预留空间。

优选地，所述第一材料的耐热温度和耐压强度小于所述第二材料的耐热温度和耐压强度。

优选地，所述第一材料为聚偏二氟乙烯、聚氧乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯腈中的一种；所述第二材料包括陶瓷粉末、聚苯硫醚、聚酰亚胺、聚己二酰丁二胺、液晶聚合物、聚醚醚酮中的至少一种。

优选地，所述第一材料和所述第二材料的质量比为(60-95)：(5-40)。

优选地，所述陶瓷粉末包括氧化铝、二氧化锆、碳化硅、氮化硅、勃姆石、二氧化硅、二氧化钛、二氧化镁、硫酸钡、氧化锆、氧化钙中的一种或几种。

优选地，所述基膜为多孔的聚丙烯薄膜、聚乙烯薄膜、聚酯基片、聚丙烯腈中的至少一种。

优选地，所述陶瓷粉末粒径为0.02-5.0μm。

根据本申请的另一方面，本申请提供一种前文所述的可抑制电芯膨胀变形的复合隔膜的制备方法，包括以下步骤：

(1)制备粘结涂料：将第一材料、第二材料、增稠剂、分散剂和粘合剂以(60-95):(5-40):(0.5-10):(0.5-5):(2-10)的重量份数比混合，加入去离子水搅拌均匀，获得粘结涂料；

(2)将制备好的粘结涂料涂覆于基膜之上，形成粘结层，涂覆完成后经干燥处理获得锂离子电池隔膜。

优选的，所述增稠剂为羧甲基纤维素钠、聚甲基丙烯酸酯、甲基羟乙基纤维素、聚氧化乙烯、聚氨酯以及聚丙烯酰胺中至少一种。

优选的，所述分散剂为六偏磷酸钠、焦磷酸钠、金属皂中的至少一种；所述粘合剂为丙烯酸聚合物、苯乙烯一丁二烯橡胶、聚乙烯醇、丙烯腈聚合物、聚氨酯、聚苯乙烯-丙烯酸酯和间苯二酚甲醛树脂中至少一种。

相比于现有技术，本申请提供的技术方案至少可以达到以下有益效果：本申请通过在第一材料层中，加入比第一材料强度更高的耐高温高压的第二材料，在高温高压下，通过第一材料和第二材料的共同作用，制造足够的孔隙，预留了更多的孔隙空间，提供膨胀空间，使得电芯内部有足够的孔隙让离子自由活动，提高导离子能力，解决了因电芯孔隙度不足导致的电芯膨胀变形问题。

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，下面描述中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，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本申请一实施例的一种可抑制电芯膨胀变形的复合隔膜结构示意图。

图中：1、极片；2、基膜；3、第一材料；4、第二材料。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

根据本申请的一方面，本申请提供一种可抑制电芯膨胀变形的复合隔膜，包括基膜2和涂覆于所述基膜2至少一表面上的第一材料3和第二材料4，所述第二材料4间隔嵌设于所述第一材料3之间，所述第一材料3的强度小于所述第二材料4的强度，且所述第一材料3可在热压下发生形变形成有膨胀预留空间。在第一材料3中加入高温高压下不易变形第二材料4，提供足够的膨胀空间，控制孔隙的高度从而进一步改善电芯的变形问题。

在根据本申请的一实施例中，第一材料3的耐热温度和耐压强度小于第二材料4的耐热温度和耐压强度。

在根据本申请的一实施例中，第一材料3为聚偏二氟乙烯、聚氧乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯腈中的一种；第二材料4包括陶瓷粉末、聚苯硫醚、聚酰亚胺、聚己二酰丁二胺、液晶聚合物、聚醚醚酮中的至少一种。这些材料在高温高压下仍能保持良好的性能，且不易变形，提高足够的膨胀空间；聚苯硫醚作为一种新型高性能热塑性树脂，其机械强度高、耐高温(可承受最高温度达220℃)，聚醚醚酮可耐高温、耐腐蚀、尺寸稳定性好、电性能优良。

在根据本申请的一实施例中，第一材料3和所述第二材料4的质量比为(60-95)：(5-40)。

在根据本申请的一实施例中，陶瓷粉末包括氧化铝、二氧化锆、碳化硅、氮化硅、勃姆石、二氧化硅、二氧化钛、二氧化镁、硫酸钡、氧化锆、氧化钙中的一种或几种，这些陶瓷粉末具有致密度高、球形度好、颗粒尺寸小且粒度分布范围窄、分散性好、流动性好等特性，其中氧化铝在高能量研磨设备的研磨下，达到亚微米粒级以至纳米粒级，用这种方法制得的氧化铝粉烧结活性较好，另外具有成本低廉，制备方便，产量高；勃姆石界面自由能高、孔隙率大、比表面积大、分散性好、胶溶性好、耐热度高，碳化硅颗粒可以通过烧结结合在一起以形成非常硬的陶瓷，与粘结层中的聚偏二氟乙烯结合不破坏粘性的同时，能控制孔隙高度，产生足够的膨胀空间，避免电池因此而发生变形。

在根据本申请的一实施例中，基膜2为多孔的聚丙烯薄膜、聚乙烯薄膜、聚酯基片、聚丙烯腈中的至少一种，聚乙烯薄膜、聚丙烯薄膜，基膜2的孔隙率一般在30～50％之间，聚酯基片基膜2采用湿法造纸工艺，具有更高的孔隙率，平均孔隙率在70％左右，可以容纳更多的电解液。

在根据本申请的一实施例中，陶瓷粉末粒径为0.02-5.0μm，例如可以为0.02μm、0.05μm、0.08μm、0.10μm、0.5μm、1.0μm、2.0μm、3.0μm。

根据本申请的另一方面，本申请提供一种前文所述的可抑制电芯膨胀变形的复合隔膜的制备方法，包括以下步骤：

(1)制备粘结涂料：将第一材料3、第二材料4、增稠剂、分散剂和粘合剂以(60-95):(5-40):(0.5-10):(0.5-5):(2-10)的重量份数比混合，加入去离子水搅拌均匀，获得粘结涂料；

(2)将制备好的粘结涂料涂覆于基膜2之上，形成粘结层，涂覆完成后经干燥处理获得锂离子电池隔膜。

在根据本申请的一实施例中，第一材料3和第二材料4的涂覆的厚度为0.5-10μm，例如可以为0.5μm、1.0μm、1.5μm、2μm、2.5μm、3μm、4μm、5μm、6μm、7μm、8μm、9μm、10μm。

在根据本申请的一实施例中，增稠剂为粘结剂为丙烯酸聚合物、苯乙烯一丁二烯橡胶、聚乙烯醇、丙烯腈聚合物、聚氨酯、聚苯乙烯-丙烯酸酯和间苯二酚甲醛树脂中至少一种。

在根据本申请的一实施例中，分散剂为六偏磷酸钠、焦磷酸钠、金属皂中的其中一种，金属皂是由金属钴盐和脂肪酸结合构成的化学物质，通过钴所特有的催化作用,促进极片与隔膜产生更好的固化和粘合，粘合剂为丙烯酸聚合物、苯乙烯一丁二烯橡胶、聚乙烯醇、丙烯腈聚合物、聚氨酯、聚苯乙烯-丙烯酸酯和间苯二酚甲醛树脂中至少一种。

下面将结合具体实施例1～8对本申请技术方案及有益效果进行详细说明。

实施例1