电化学电源隔膜及其制备方法和电化学电源的制作方法

文档序号:7247698阅读:238来源:国知局
电化学电源隔膜及其制备方法和电化学电源的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种电化学电源隔膜及其制备方法和电化学电源。该电化学电源包括纤维复合层和涂设在所述纤维复合层表面的有机黏结剂-无机粉体复合层,所述纤维复合层包括混合的有机纤维和无机纤维,且有机纤维和无机纤维的重量比为1:99~99:1。该电化学电源隔膜的制备方法包括纤维复合层的形成、配制有机-无机悬浮液、有机-无机悬浮液在纤维复合层表面成膜处理的步骤。电化学电源包括该电化学电源隔膜。该电化学电源隔膜以纤维复合层为基体,并以含有无机粉体复合层为涂层,有效提高了该电化学电源隔膜的耐受温度,使其具有优异的透气率,从而提高了电源的安全性能和高倍率性能。其制备方法工艺简单,生产效率高,生产成本低。
【专利说明】电化学电源隔膜及其制备方法和电化学电源
【技术领域】
[0001 ] 本发明属于电化学电源【技术领域】,具体涉及一种电池隔膜及其制备方法和电化学电源。
【背景技术】
[0002]随着人类生产力的发展,越来越多的汽车行驶在城市、乡村的大街小巷中。汽车的普及给人们的生活带来了极大的便利。然而,伴随而来的问题也越来越严重。石油等不可再生能源的消耗不断加速,汽车尾气的排放给环境造成的影响也不断扩大。目前,人们为了解决这些问题提出发展电动汽车,以期取代传统汽车。而关键在于是否有能量密度、功率密度足够大,循环寿命足够长、安全可靠的动力电源取代内燃机。其中,电源的安全性是重中之重。
[0003]对于电化学电源(电源锂离子电池和超级电容器),一个重要的安全隐患就是因为过充或过放或短路导致电源内部的温度急剧升高从而导致燃烧或者爆炸。若电源本身具有良好的导热性,能够快速的将热散发出去,就能有效的降低这种安全隐患。而决定动力电池安全性的关键在于其中的隔膜。
[0004]目前,在电化学电源如锂离子电池普遍采用的隔膜为多孔聚烯烃隔膜。由于多孔聚烯烃隔膜是聚合物,其导热性很差,不能将充放电过程中产生的热及时导出,会导致电源中温度急剧升高。又由于多孔聚烯烃隔膜是聚合物,其本身耐热性差,当温度达到一定程度时,这种隔膜就会发生收缩甚至破裂,从而使电源内部有可能发生正负之间直接接触而短路,引发电池安全性隐患,如燃烧、爆炸等现象,另外,该多孔聚烯烃隔膜还存在润湿性能和高倍率性能差,因此,该多孔聚烯烃隔膜难以满足动力电池对安全性能及高倍率性能的要求。因此,为了满足更高的要求,需要研究性能更好的隔膜。

【发明内容】

[0005]本发明实施例的目的在于克服现有技术的上述不足,提供一种耐热性和透气性好的电化学电源隔膜及其制备方法。
[0006]本发明实施例的另一目的在于提供一种安全性和倍率性高的电化学电源。
[0007]为了实现上述发明目的,本发明的技术方案如下:
[0008]一种电化学电源隔膜,包括纤维复合层和涂设在所述纤维复合层表面的有机黏结剂-无机粉体复合层,所述纤维复合层包括混合的有机纤维和无机纤维,且有机纤维和无机纤维的重量比为1:99?99:1。
[0009]以及,上述电化学电源隔膜的一种制备方法,包括如下步骤:
[0010]将所述有机纤维、无机纤维混合后平铺,形成纤维复合层;
[0011]将有机黏结剂溶于有机溶剂后加入无机粉体,配制成悬浮液;
[0012]将所述悬浮液涂覆在纤维复合层表面,干燥处理,得到所述电化学电源隔膜。
[0013]以及,一种电化学电源,其包括上述的电化学电源隔膜。[0014]上述电化学电源隔膜采用有机纤维和无机纤维混合构成的纤维复合层为基体,并以含有无机粉体复合层为涂层,有效提高了该电化学电源隔膜的耐受温度,使得该电化学电源隔具有优异的透气率。
[0015]上述电化学电源隔膜制备方法将有机-无机复合层的浆料直接涂覆在纤维复合层为基体的表面,干燥即可,工艺简单,条件易控,对设备要求低,生产效率,生产成本低,适于工业化生产。
[0016]上述电化学电源因包括上述电化学电源隔膜,由于该电化学电源隔膜具有优异的透气率,有效降低了该电化学电源在高倍率充放电时的内阻,不仅提高了能量密度,更有利于降低热的产生,又由于该电化学电源隔膜的高耐受温度,有效提高了电化学电源的安全性能,延长了其寿命。
【专利附图】

【附图说明】
[0017]下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明,附图中:
[0018]图1为本发明实施例电化学电源隔膜结构图;
[0019]图2为本发明实施例的电化学电源隔膜制备方法的工艺流程图。
【具体实施方式】
[0020]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明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发明,并不用于限定本发明。
[0021]本发明实例提供一种散热性好、尺寸稳定的电化学电源隔膜,其结构如图1所示。该电化学电源隔膜包括纤维复合层I和涂设在纤维复合层I表面的有机黏结剂-无机粉体
复合层2。
[0022]其中,上述纤维复合层I相当于呈层状的芯层,其是将含有有机纤维和无机纤维的混合纤维铺陈层状形成,具体的制备方法请参见下文关于该电化学电源隔膜的制备方法,其中,有机纤维和无机纤维的重量比为1:99?99:1。该纤维复合层I构成电化学电源隔膜的基体,增强了该电化学电源隔膜的机械强度,同时由于其本身特性,提高了该电化学电源隔膜的耐受温度。
[0023]作为本发明具体实施例,该纤维复合层I中的有机纤维的直径优选为5?40 μ m,其优选为PET纤维、超高分子量聚乙烯纤维、聚乙烯纤维、聚丙烯纤维、PPTA纤维中的至少一种。无机纤维优选为直径是5?40 μ m,其优选为玻璃纤维、石英玻璃纤维、陶瓷纤维中的至少一种。该优选的有机纤维和无机具有良好的机械强度和耐受温度,其中,无机纤维还具有优异的导热性能,能有效的提高电化学电源隔膜的导热和散热性能。
[0024]上述有机黏结剂-无机粉体复合层2中的有机黏结剂与无机粉体的重量比优选为(I?5):1。该两者优选比例,能使得该电化学电源隔膜具有良好的电解液润湿性能,同时增强该有机黏结剂-无机粉体复合层2与纤维复合层I结合的强度,使得该电化学电源隔膜具有优良的机械强度。
[0025]作为本发明具体实施例,该有机黏结剂-无机粉体复合层2中的有机物为有机黏结剂为聚乙烯醇、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、改性丁苯橡胶、氟化橡胶、聚氨酯中的至少一种;无机粉体为空心氧化铝和/或空心氧化硅,无机粉体粒径优选为3?lOOOnm,如粒径为3?IOOOnm的空心氧化铝和/或空心氧化硅。该优选的有机黏结剂具有较高的耐受温度和粘结强度,从而增加有机黏结剂-无机粉体复合层2与纤维复合层I结合的机械强度,防止有机黏结剂-无机粉体复合层2的脱落,延长了电化学电源隔膜的使用寿命,从而延长了电化学电源循环使用寿命。该优选的无机粉体具有优异的导热性能,且该无机粉体在有机-无机复合层2中构成骨架,从而使得本发明实施例电化学电源隔膜具有优异的散热性能,还能提高电化学电源隔膜的破膜温度,提高了化学电源隔膜的安全性能。又由于无机粉体优选为空心的,这样能显著的降低电化学电源隔膜的重量,从而提高了电化学电源能量密度。因此,该有机黏结剂与无机粉体共同作用,能有效调节该电化学电源隔膜的气孔,提高了电化学电源隔膜的耐受温度和透气性。
[0026]作为本发明优选实施例,通过控制上述纤维复合层I与有机黏结剂-无机粉体复合层2的厚度或重量比,将上述实施例中的电化学电源隔膜的透气率优选控制为10%?90%,更优选为40%?60%。通过调节纤维复合层I与有机黏结剂-无机粉体复合层2的厚度或重量比,实现对该电化学电源隔膜的机械强度和透气性的调节,同时提高电化学电源隔膜润湿性能,以提高电化学电源的电化学性能。
[0027]由上所述,上述电化学电源隔膜采用有机纤维和无机纤维混合构成的纤维复合层I为基体,并以含有无机粉体的有机黏结剂-无机粉体复合层2为涂层,有效提高了该电化学电源隔膜的耐受温度,使得该电化学电源隔具有优异的透气率。并通过对有机纤维与无机纤维、有机黏结剂与无机粉体种类的选用、混合比的调节,实现对电化学电源隔膜的透气性、耐热性、散热性和机械强度的调节,获得综合性能高的电化学电源隔膜。
[0028]相应地,本发明实施例还提供一种制备上述电化学电源隔膜的方法,该方法工艺流程图如图2所示,同时请参见图1。该制备方法包括如下步骤:
[0029]步骤S01.纤维复合层的形成:将有机纤维、无机纤维混合后平铺,形成纤维复合层I ;
[0030]步骤S02.配制有机-无机悬浮液:将有机黏结剂溶于有机溶剂后加入无机粉体,配制成悬浮液;
[0031]步骤S03.有机-无机悬浮液在纤维复合层表面成膜处理:将步骤S02制备的悬浮液涂覆在纤维复合层I表面,干燥处理,得到所述电化学电源隔膜。
[0032]具体地,在上述步骤SOl中,有机纤维、无机纤维所选用的种类和含量如上文所述,为了节约篇幅,在此不再赘述。该有机纤维、无机纤维混合后平铺的方法可以按照如下方法进行:
[0033]将有机纤维、无机纤维按上述的比例范围随机且均匀的铺陈在网带上,形成纤维复合层I。当然,有机纤维、无机纤维还可以铺陈其他的载体上,只要能实现有机纤维、无机纤维铺陈,该载体出了网带之外,还可以用本领域常用其他的载体。
[0034]上述步骤S02中,有机黏结剂、无机粉体所选用的种类和含量如上文所述,为了节约篇幅,在此不再赘述。有机溶剂可选用乙醚、戊烷、二氯甲烷、二硫化碳、丙酮、氯仿、甲醇、己烷、三氟代乙酸、1,1,1-三氯乙烷、四氯化碳中的至少一种。在配制悬浮液的配制的过程中,优选先将有机黏结剂加入到有机溶剂中,使得有机黏结剂完全溶解后,再加入无机粉体搅拌直至各组分分散均匀。该悬浮液的浓度根据涂覆的方式而灵活调整,另外,如果悬浮液浓度较低时,可以采取多次涂覆,以实现控制有机黏结剂-无机粉体复合层2的厚度和该电化学电源隔膜的透气率。具体地,配制悬浮液的浓度可以是无机粉体的质量占悬浮液总质量的0.5%?25%。
[0035]上述步骤S03中,悬浮液涂覆在纤维复合层I表面的方式优选为浸溃涂布、刮刀涂布、刮棒涂布、喷涂中的一种或两种以上方式的组合。该优选的涂覆方式能将悬浮液均匀的分散在纤维复合层I表面,从而使得在纤维复合层I表面形成厚度均匀的有机黏结剂-无机粉体复合层2。该悬浮液涂覆在纤维复合层I表面的量优选将该电化学电源隔膜的透气率控制为10%?90%,更优选为40%?60%,以使得该电化学电源隔膜具有优良的透气性。
[0036]该步骤S03中,为了涂覆在纤维复合层I表面的悬浮液在干燥过程中不发生变化,该步骤中的干燥优选在无氧的条件下干燥,除去有机溶剂,使得有机-无机悬浮液凝固干燥,形成有机黏结剂-无机粉体复合层2。优选地,该无氧的条件为含氢气、氮气、惰性气体中的至少一种的干燥气体或真空。干燥的温度优选为40°C?200°C,干燥时间可根据温度调节,只要使得有机黏结剂-无机粉体复合层2完全固化干燥即可。
[0037]由上所述,上述实施例电化学电源隔膜的制备方法将有机-无机复合层2的浆料直接涂覆在纤维复合层基体表面,经固化干燥即可。其制备方法工艺简单,条件易控,对设备要求低,生产效率高,生产成本低,适于工业化生产。
[0038]本发明实施例还提高了一种安全性和倍率性高的电化学电源,该电化学电源包括上述的电化学电源隔膜以及其他必要的如电源壳体、电解液等相关部件。具体地,该电化学电源为锂离子电池或超级电容器。
[0039]作为本发明实施例,当电化学电源为锂离子电池时,该锂离子电池包含依次层叠的正极、隔膜和负极以及电池壳体和电解液。其中,正极、电池隔膜和负极依次层叠叠加后卷绕,并装入电池壳体内,电解液注入电池壳体内并浸没电极和电池隔膜。电池隔膜直接采用上述电化学电源隔膜或者利用上述的电化学电源隔膜的制备方法实施例制备获得,正极和负极为采用本领域常用的即可。由于该实施例中锂离子电池的电池隔膜采用上述实施例电化学电源隔膜。而该电化学电源隔膜正如上文所述,是以有机纤维和无机纤维混合构成的纤维复合层为基体和含有无机粉体的有机黏结剂-无机粉体复合层构成,由于该电化学电源隔膜具有优异的透气率,有效降低了该锂离子电池在高倍率充放电时的内阻,不仅提高了其能量密度,更有利于降低热的产生,又由于该电化学电源隔膜的高耐受温度,有效提高了锂离子电池的安全性能,延长了其寿命。
[0040]当电化学电源为超级电容器时,该超级电容器包含依次层叠的电极、隔膜、电极以及电池壳体和电解液。其中,电极/隔膜/电极依次层叠叠加后卷绕,并装入电容器壳体内,电解液注入电容器壳体内并浸没电极和隔膜。该隔膜直接采用上述电化学电源隔膜或者利用上述的电化学电源隔膜的制备方法实施例制备获得,电极为采用本领域常用的即可。
[0041]正是由于上述电化学电源因包括上述电化学电源隔膜,由于该电化学电源隔膜具有优异的透气率,有效降低了该电化学电源在高倍率充放电时的内阻,不仅提高了能量密度,更有利于降低热的产生,该电化学电源隔膜的高耐受温度性能有效提高了电化学电源的安全性能,延长了其寿命。该电化学电源具有上述优异的性能。该电化学电源可以应用于移动终端产品、电动汽车、电网、通信设备和/或电动工具中的应用。如当电化学电源为锂离子电池用于通信设备中时,该通信设备包括工作模块和供电模块。其中,供电模块为工作模块提供电能,其包括上文所述的锂电池,该锂电池可以是一个或两个以上的锂电池。放供电模块包括两个以上的锂电池时,该锂电池可以根据工作模块所需电能的需要,以并联或串联或并串联接。该工作模块使用供电模块提供的电能运行,例如执行相关信息的接受、交换、处理、储存、发射等任务。该通信设备可以使手机、笔记本电脑等任意一种需要电能的电子设备。
[0042]以下通过多个实施例来举例说明上述电池隔离制备方法,以及其性能等方面。
[0043]实施例1
[0044]一种电池隔膜及其制备方法以及锂离子电池,该电池隔膜的制备方法包括如下步骤:
[0045]SI 1:将50重量份的10微米PET纤维与50重量份的10微米的玻璃纤维随机且均匀的铺陈在网带上,形成纤维复合芯层;
[0046]S12:向含有丙酮的容器中加入40重量份的聚四氟乙烯,并不停搅拌,直至完全溶解形成有机溶液,再向该有机溶液中加入10重量份的平均粒径为50纳米的空心氧化铝粉体,并搅拌均匀,得有机-无机悬浮液;其中,空心氧化铝粉体在有机-无机悬浮液中的质量百分浓度为10% ;
[0047]S13:以浸溃涂布的方式施将步骤S12配制的有机-无机悬浮液以上述有机一无机悬浮液涂覆在步骤SI I制备的纤维复合芯层双面,在100°C的空气中干燥24小时,得电化学电源隔膜。
[0048]将本实施例1制备的电化学电源隔膜用于制备锂离子电池:将正极、本实施例1制备的电化学电源隔膜和负极依次层叠叠加后卷绕,并装入电容器壳体内,然后向电池壳体内注入电解液,最后封装。
[0049]将本实施例制备的电化学电源隔膜和锂离子电池进行相关性能测试,经测试得知,该电化学电源隔膜的孔隙率为50%,孔径为50纳米,厚度为20微米,透气率为150s/100cco破膜温度高于200°C。锂离子电池的能量密度为lOOwh/kg。
[0050]实施例2
[0051]一种电池隔膜及其制备方法以及锂离子电池,该电池隔膜的制备方法包括如下步骤:
[0052]S21:将20重量份的10微米PET纤维与80重量份的10微米的玻璃纤维随机且均匀的铺陈在网带上,形成纤维复合芯层;
[0053]S22:向含有丙酮的容器中加入50重量份的PVDF,并不停搅拌,直至完全溶解形成有机溶液,再向该有机溶液中加入50重量份的平均粒径为200纳米的空心氧化铝粉体,并搅拌均匀,得有机-无机悬浮液;其中,空心氧化铝粉体在有机-无机悬浮液中的质量百分浓度为0.5% ;
[0054]S23:以浸溃涂布的方式施将步骤S22配制的有机-无机悬浮液以上述有机-无机悬浮液涂覆在步骤S21制备的纤维复合芯层双面,在100°C的空气中干燥12小时,得电化学电源隔膜。
[0055]将本实施例2制备的电池隔膜用于制备锂离子电池,具体的制备方法如同实施例1中的锂离子电池的制备方法。
[0056]将本实施例制备的电化学电源隔膜和锂离子电池进行相关性能测试,经测试得知,本实施例的化学电源隔膜的孔隙率为50%,孔径为50纳米,厚度为30微米,透气率为200s/100cco破膜温度高于250°C。锂离子电池的能量密度为llOwh/kg。
[0057]实施例3
[0058]一种电池隔膜及其制备方法以及锂离子电池,该电池隔膜的制备方法包括如下步骤:
[0059]S31:将50重量份的10微米PET纤维与50重量份的5微米的玻璃纤维随机且均匀的铺陈在网带上,形成纤维复合芯层;
[0060]S32:向含有丙酮的容器中加入40重量份的PVDF,并不停搅拌,直至完全溶解形成有机溶液,再向该有机溶液中加入30重量份的平均粒径为100纳米的空心氧化铝粉体,并搅拌均匀,得有机-无机悬浮液;其中,空心氧化铝粉体在有机-无机悬浮液中的质量百分浓度为25% ;
[0061]S33:以浸溃涂布的方式施将步骤S32配制的有机-无机悬浮液以上述有机-无机悬浮液涂覆在步骤S31制备的纤维复合芯层双面,在100°C的空气中干燥12小时,得电化学电源隔膜。
[0062]将本实施例3制备的电池隔膜用于制备锂离子电池,具体的制备方法如同实施例1中的锂离子电池的制备方法。
[0063]将本实施例制备的电化学电源隔膜和锂离子电池进行相关性能测试,经测试得知,本实施例的化学电源隔膜的孔隙率为60%,孔径为40纳米,厚度为25微米,透气率为150s/100cco破膜温度高于200°C。锂离子电池的能量密度为
[0064]120wh/kgo
[0065]以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包括在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种电化学电源隔膜,其特征在于:包括纤维复合层和涂设在所述纤维复合层表面的有机黏结剂-无机粉体复合层,所述纤维复合层包括混合的有机纤维和无机纤维,且有机纤维和无机纤维的重量比为1:99?99:1。
2.如权利要求1所述的电化学电源隔膜,其特征在于:所述电化学电源隔膜的透气率为10?90%。
3.如权利要求1或2所述的电化学电源隔膜,其特征在于:所述有机纤维为直径是5?40 μ m的PET纤维、超高分子量聚乙烯纤维、聚乙烯纤维、聚丙烯纤维、PPTA纤维中的至少一种。
4.如权利要求1或2所述的电化学电源隔膜,其特征在于:所述无机纤维为直径是5?40 μ m的玻璃纤维、石英玻璃纤维、陶瓷纤维中的至少一种。
5.如权利要求1所述的电化学电源隔膜,其特征在于:所述有机黏结剂-无机粉体复合层中,所述有机黏结剂与无机粉体的重量比为(I?5):1。
6.如权利要求1或4所述的电化学电源隔膜,其特征在于:所述有机物为有机黏结剂为聚乙烯醇、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、改性丁苯橡胶、氟化橡胶、聚氨酯中的至少一种。
7.如权利要求1或4所述的电化学电源隔膜,其特征在于:所述无机粉体为空心氧化铝和/或空心氧化硅。
8.如权利要求1或4所述的电化学电源隔膜,其特征在于:所述无机粉体的粒径为3?lOOOnm。
9.如权利要求1?8任一项所述的电化学电源隔膜制备方法,包括如下步骤: 将所述有机纤维、无机纤维混合后平铺,形成纤维复合层; 将有机黏结剂溶于有机溶剂后加入无机粉体,配制成悬浮液; 将所述悬浮液涂覆在纤维复合层表面,干燥处理,得到所述电化学电源隔膜。
10.一种电化学电源,其特征在于,包括权利要求1?7任一所述的电化学电源隔膜。
【文档编号】H01G9/02GK103855348SQ201210504993
【公开日】2014年6月11日 申请日期:2012年11月30日 优先权日:2012年11月30日
【发明者】周明杰, 王要兵 申请人:海洋王照明科技股份有限公司, 深圳市海洋王照明技术有限公司, 深圳市海洋王照明工程有限公司
网友询问留言 已有0条留言
  • 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞!
1