隔膜、隔膜卷、电芯以及动力锂电池的制作方法

文档序号：21942225发布日期：2020-08-21 15:21阅读：147来源：国知局

本申请涉及锂离子电池领域，具体而言，涉及一种隔膜、隔膜卷、电芯以及动力锂电池。

背景技术：

随着电动汽车的发展，对动力锂电池能量密度和安全性能的要求也越来越高，从锂电池技术原理的角度看，这两个相互矛盾的重要性能如何有效地统一解决是当前锂电池科学与工业界需要解决的一大难题。

传统动力锂电池系统由电芯组装成为模组，再将模组安装在电池包里，形成“电芯-模组-电池包”的三级装配模式。其中，将单体小电芯组成模组的设计形式是基于产业前期电池材料和电池工程能力的水平限制，很难大批量的制成一致性良好的较大容量的电芯，随着材料学和电池工程能力的提升，取消模组所占用的体积和重量，绕开模组，直接用电芯组成电池包就成了一种动力电池发展的趋势，以此通过结构上的优化大大提高锂电池的能量密度。有统计显示，采用这种技术设计的动力电池包，其空间利用率提升约20％，相关零部件减少约40％，电池生产效率提升约50％。这样，通过省去模组省出来的体积和重量，可以用来增加电量，提高续航。由此可见，由电芯直接到电池包的设计模式可以拥有更加精简的生产流程和更高的生产效率，也能大幅降低动力电池的制造成本，是提高动力电池整体技术的一种有效的工程解决方法。但此种工程解决方法的背后，需要亟待解决大量的结构设计以及工艺等多方面的技术难题。

当前，动力电池的电芯从结构设计上主要分为圆柱、软包和方形电池，在不改变当前材料和电化学体系的前提下，为了实现系统能量密度的提升，减少模组或者取消模组，主要的技术手段就是增加单体电芯的容量，体现在单体电芯上，就是其尺寸形态的改变，包括电芯的长度、宽度和厚度。由于电池尺寸的改变，特别是宽度方向上的大幅提升，会给电芯结构的组装和长期使用稳定性带来严重的技术挑战。大尺寸动力锂电池在进行卷绕或叠片工艺时，其尺寸的对位精度和稳定性是组装工艺的一个困难，此外，在动力电池包的长期使用过程中，因为振动及内部局部共振的影响，电池正、负极片之间，电芯与壳体之间易于发生相对运动，焊接的极耳位容易产生松动或破坏，出现结构和性能不稳定现象，从而导致生产和使用过程中电池容易发生微短路、自放电、内阻升高等现象，引起电池生产的成品率和可靠性较低。

技术实现要素：

本申请实施例的目的在于提供一种隔膜、隔膜卷、电芯以及动力锂电池。

第一方面，本申请提供一种隔膜，隔膜包括多孔基膜和粘结层；

沿多孔基膜的预设方向，多孔基膜的表面包括中间空白区域和两端的涂覆区域；

粘结层涂覆在两端的涂覆区域。

该隔膜，通过在多孔基膜表面的两端涂覆粘结层，能够在锂电池电芯组装和成型过程中，使得粘结层起到与锂电池电芯内部的负极片的两端接触并粘结，并且在收卷时粘结层之间相互也能够粘结，因此，该隔膜能够使电池极片之间的位置固定而紧凑，从而使电池极片、隔膜成为一个整体。特别是对于大尺寸动力锂电池而言，能够有效地保证锂电池在组装、振动测试以及长期循环过程中承受足够的张力、压力与震动，避免因电池正、负极片之间，电芯与壳体之间的相对运动，导致的成品率低、微短路、自放电、内阻升高以及焊接极耳位松动或破坏等不良后果。

第二方面，本申请提供一种隔膜卷，采用上述的隔膜沿垂直于预设方向收卷形成。

第三方面，本申请提供一种电芯，包括前述的隔膜；

负极片，负极片设置在隔膜的一侧，且负极片的两端粘接于隔膜表面涂覆的粘结层上；以及

正极片，正极片位于隔膜的另一侧，且正极片与隔膜的空白区域叠合。

该电芯，能够有效地保证锂电池在组装、振动测试以及长期循环过程中承受足够的张力、压力与震动，避免因电池正、负极片之间，电芯与壳体之间的相对运动，导致的成品率低、微短路、自放电、内阻升高以及焊接极耳位松动或破坏等不良后果。该电芯能够用于制备大尺寸电池，且具有长期循环稳定性。

进一步地，由于粘结层没有孔，会影响到锂离子的传输效率，进而影响到正极材料容量的发挥，而本申请提供的隔膜两个表面的中间空白区域与正极极片贴合，即粘结层不与锂电池电芯内部的正极片上的活性物质接触，因此不会对电池的传输效率造成影响。该隔膜，不会导致锂电池组装过于复杂，工艺成本较低，且能够极大地提高电池内部电芯的稳定性，保证锂电池长期循环的稳定性。

第四方面，本申请提供一种动力锂电池，该动力锂电池包括前述的电芯。

该动力锂电池，具有长期循环稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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他相关的附图。

图1是本申请实施方式提供的第一种复合隔膜的示意图；

图2是本申请实施方式提供的第二种复合隔膜的示意图；

图3是本申请实施方式提供的第三种复合隔膜的示意图；

图4是本申请实施方式提供的第四种复合隔膜的示意图；

图5是本申请实施方式提供的电池电芯的示意图。

图标：100-多孔基膜；200-粘结层；101-空白区域；201-粘结层；102-空白区域；202-粘结层；103-空白区域；203-粘结层；104-空白区域。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本申请实施方式提供一种隔膜，隔膜包括多孔基膜和粘结层；

沿多孔基膜的预设方向(图1中箭头方向)，多孔基膜的表面包括中间空白区域和两端的涂覆区域；

粘结层涂覆在两端的涂覆区域。

该隔膜，通过在多孔基膜表面的两端涂覆粘结层，能够在锂电池电芯组装和成型过程中，使得粘结层起到与锂电池电芯内部的负极片的两端接触并粘结，并且粘结层之间相互也能够粘结，因此，该隔膜能够使电池极片之间的位置固定而紧凑，从而使电池极片、隔膜成为一个整体。特别是对于大尺寸动力锂电池而言，能够有效地保证锂电池在组装、振动测试以及长期循环过程中承受足够的张力、压力与震动，避免因电池正、负极片之间，电芯与壳体之间的相对运动，导致的成品率低、微短路、自放电、内阻升高以及焊接极耳位松动或破坏等不良后果。

进一步地，在本申请一些实施方式中，多孔基膜为单层。进一步可选地，多孔基膜的材料选自聚乙烯、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰胺、聚酰亚胺、pet无纺布中的一种或几种。

进一步地，在本申请的一些实施方式中，多孔基膜为多层。多孔基膜由不同分子量、不同熔融指数的聚乙烯或聚丙烯制成。

进一步地，在本申请的一些实施方式中，多孔基膜为多层。多孔基膜由不同分子量、不同熔融指数的聚乙烯和聚丙烯制成。示例性地，多孔基膜为三层。

进一步地，多孔基膜的厚度在5μm～30μm范围内。

进一步可选地，多孔基膜的厚度在6μm～28μm范围内。

进一步可选地，多孔基膜的厚度在10μm～25μm范围内。

示例性地，多孔基膜的厚度为15μm、18μm或者20μm。

进一步地，多孔基膜的孔隙率在20％～70％范围内。

进一步可选地，多孔基膜的孔隙率在25％～65％范围内。

进一步可选地，多孔基膜的孔隙率在30％～60％范围内。

示例性地，多孔基膜的孔隙率为35％、40％、45％或者50％。

进一步地，粘结层的原料包括有机物。

进一步可选地，有机物选自聚丙烯酸酯、聚丙烯酸、聚丙烯酸盐、丁苯橡胶、环氧树脂、氨基树脂、聚酰胺、聚乙烯亚胺、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物、聚偏氟乙烯-四氟乙烯共聚物中的至少一种。

进一步可选地，粘结层的原料还包括羧甲基纤维素钠和海藻酸钠中的至少一种。示例性地，选择前述有机物中的至少一种与羧甲基纤维素钠和海藻酸钠中的至少一种复配制备粘结层。

进一步地，以重量百分比计，有机物占粘结层总重量的10～100％。

进一步可选地，以重量百分比计，有机物占粘结层总重量的15～95％。

进一步可选地，以重量百分比计，有机物占粘结层总重量的20～80％。

示例性地，粘结层包括100％的有机物。

在本申请一些实施方式中，上述的粘结层的原料包括有机物和无机物。通过加入无机物，能够在一定程度上降低粘结层所产生的静电，改善使用过程中因静电产生所引发的一些不良问题，但无机物添加量的过多，又会影响到粘结层粘接力的发挥。

进一步地，以重量百分比计，无机物占粘结层总重量的0～90％。

无机物的添加量在上述的范围内时，能够有效地改善使用过程中静电问题，并保证良好的粘接效果。

进一步可选地，以重量百分比计，无机物占粘结层总重量的5～85％。

进一步可选地，以重量百分比计，无机物占粘结层总重量的10～80％。

示例性地，以重量百分比计，粘结层包括20％的无机物和80％的有机物；或者粘结层包括50％的无机物和50％的有机物。

进一步地，无机物选自氧化铝、氧化钛、氧化锌、氧化钙、氧化镁、氧化锆、勃姆石中的一种或几种。

进一步地，无机物的颗粒度d50的取值范围为0.1～2.0μm。

进一步可选地，无机物的颗粒度d50的取值范围为0.5～1.8μm。

进一步可选地，无机物的颗粒度d50的取值范围为1～1.5μm。

示例性地，无机物的颗粒度d50为0.8μm、1.2μm或者1.4μm。

进一步地，涂覆区域沿预设方向上的尺寸(图1中宽度d1)在2mm～15mm之间；空白区域(图1中宽度d2)沿预设方向上的尺寸在50mm～1200mm之间。

进一步地，涂覆区域沿预设方向上的尺寸在3mm～14mm之间；空白区域沿预设方向上的尺寸在100mm～1100mm之间。

进一步地，进一步地，涂覆区域沿预设方向上的尺寸在4mm～13mm之间；空白区域沿预设方向上的尺寸在500mm～1000mm之间。

示例性地，涂覆区域沿预设方向上的尺寸为5mm、8mm或者10mm；空白区域沿预设方向上的尺寸为200mm、400mm、600mm或者800mm。

进一步可选地，两端的涂覆区域的粘结层对称且尺寸相等。

进一步地，粘结层的厚度为0.5μm～4μm。

进一步可选地，粘结层的厚度为1μm～3.5μm。

进一步可选地，粘结层的厚度为1.5μm～3.0μm。

示例性地，粘结层的厚度为2.0μm、2.5μm、2.6μm、2.8μm或者3.2μm。

进一步地，粘结层为连续涂覆层或者非连续涂覆层。

进一步地，非连续涂覆层是沿预设方向间隔涂覆。非连续涂覆层包括多个间隔的条状涂层、点状涂层、块状涂层或者弯曲状涂层。例如，多个蛇形弯曲状涂层间隔涂覆。

参照图4，进一步地，垂直于预设方向的方向为md方向。非连续涂覆层为条状涂层时，条状涂层与md方向所形成的夹角α介于10°～170°之间，但不包括90°。

进一步可选地，非连续涂覆层为条状涂层时，条状涂层与md方向所形成的夹角介于30°～120°之间。

由于在隔膜两个表面的端部涂覆粘结层，在涂覆收卷时，因为两端厚，中间薄，在收卷长度达到一定长度后，有可能造成端部应力过大，在两端采用非连续结构的涂层，可以部分分散端部的集中应力，增加收卷长度，从而进一步提高涂覆和使用过程中的效率，并降低了制造成本。

进一步地，粘结层为非连续涂覆层时，粘结层在涂覆区域的覆盖率在10％～90％之间。

进一步可选地，粘结层在涂覆区域的覆盖率在40％～80％之间。

进一步可选地，粘结层在涂覆区域的覆盖率在50％～70％之间。

示例性地，粘结层在涂覆区域的覆盖率为55％、60％、65％或者75％等。

粘结层覆盖率太低时，聚合物含量过少，与锂电池负极两端的粘结力太低，不能有效地起到粘结作用。而如果覆盖率太高，又不能很好地分散端部的集中应力，对收卷长度和使用效率的改善效果不显著。在上述的覆盖率范围内，能够有效地分散端部集中应力，对收卷长度和使用效率起到良好的改善效果。

进一步地，参照图1，在本申请一些实施方式中，提供一种隔膜。隔膜包括多孔基膜100和粘结层200。进一步地，多孔基膜100的两个表面均涂覆有粘结层200。粘结层200涂覆在多孔基膜100两端，且两个表面均涂覆有粘结层200。多孔基膜100的中间区域为空白区域101。粘结层200采用连续涂覆。图1中，4个粘结层200均为连续型纯粘结层，空白区的宽度是600mm。粘结层200只包含有机物，有机物选自聚丙烯酸酯、羧甲基纤维素钠、聚偏氟乙烯、聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物的组合物。粘结层200的厚度为2um，其单边宽度的取值为10mm。多孔基膜100为由不同分子量、不同熔融指数组成的三层聚丙烯隔离膜。

在本申请其他可选的实施例中，上述的粘结层200也可以只涂覆在多孔基膜100的一个表面。

进一步地，参照图2，在本申请一些实施方式中，提供一种隔膜。其与图1中提供隔膜基本相同，所不同之处在于，粘结层201为连续型纯聚合物和无机物混合的粘结层。其中聚合物所占比例为80wt％，无机物所占比例为20wt％，中间空白区域102的宽度是600mm。多孔基膜100是不同分子量、不同熔融指数组成的三层聚丙烯/聚乙烯/聚丙烯隔离膜。粘结层201厚度为2um，其单边宽度的取值为10mm。粘结层201中的有机物选自聚丙烯酸酯、羧甲基纤维素钠、聚偏氟乙烯、聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物的组合物，无机物选自氧化铝，其颗粒度粒径d50为0.6um。

进一步地，参照图3，在本申请一些实施方式中，提供一种隔膜。其与图1中提供隔膜基本相同，所不同之处在于，粘结层202为非连续型点状纯粘结层。涂膜区内部的覆盖率为60％，空白区域103的宽度是600mm。多孔基膜100的材料选自由不同分子量、不同熔融指数组成的单层聚丙烯隔离膜。粘结层202的厚度为1.7um，其单边宽度的取值为15mm。粘结层202中只包含有机物，有机物选自聚丙烯酸酯、羧甲基纤维素钠、聚偏氟乙烯、聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物的组合物。

进一步地，参照图4，在本申请一些实施方式中，提供一种隔膜。其与图1中提供隔膜基本相同，所不同之处在于，粘结层203为非连续型条状纯粘结层。涂膜区内部的覆盖率为60％，且条状粘结层与多孔基膜100的md方向所形成的夹角α为45°，空白区域104的宽度是600mm。多孔基膜100的材料选自由不同分子量、不同熔融指数组成的三层聚丙烯隔离膜。粘结层203的厚度为2.3um，其单边宽度的取值为7mm。粘结层203中只包含有机物，有机物选自聚丙烯酸酯、羧甲基纤维素钠、聚偏氟乙烯、聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物的组合物。

本申请的一些实施方式还提供一种隔膜卷，采用前述实施方式提供的隔膜沿垂直于预设方向收卷形成。

本申请的一些实施方式还提供一种电芯，包括前述实施方式提供的隔膜、负极片、以及正极片。

负极片设置在隔膜的一侧，且负极片的两端粘接于隔膜表面涂覆的粘结层上。

正极片位于隔膜的另一侧，且正极片与隔膜的空白区域叠合。

该隔膜两端的粘结层起到与锂电池负极极片两端的粘结以及粘结层相互之间的粘结作用，使电池极片之间的位置固定而紧凑，从而使电池极片、隔膜成为一个整体。特别是对于大尺寸叠片电池而言，保证了锂电池在组装、振动测试以及长期循环过程中能够承受足够的张力、压力与震动，避免因电池正、负极片之间，电芯与壳体之间的相对运动，导致的成品率低、微短路、自放电、内阻升高以及焊接极耳位松动或破坏等不良后果。

进一步地，粘结层因为没有孔，会影响到锂离子的传输效率，进而影响到正极材料容量的发挥，而本申请提供的隔膜两个表面的中间空白区域与正极极片贴合，即粘结层不与锂电池电芯内部的正极片上的活性物质接触，因此不会对电池的传输效率造成影响。该隔膜，不会导致锂电池组装过于复杂，工艺成本较低，且能够极大地提高电池内部电芯的稳定性，保证锂电池长期循环的稳定性。

在本申请的一些实施方式中，该电芯能够用于大尺寸叠片电池。参照图5，电芯组装成型时，正极极片位于隔膜的一侧，且正极极片贴合在隔膜的空白区域内(正极极片的尺寸小于隔膜的尺寸)，因此，正极极片不与隔膜的粘结层接触，从而不会接触正极极片上的活性物质，不会对电池的电性能造成影响。负极极片与隔膜大小相等(根据需要还可设置为略小于隔膜)。负极极片位于隔膜的另一侧(隔膜的下方，图5中未示出)。

进一步地，隔膜两端的粘结层的宽度d1均在2mm～15mm之间。

隔膜两端的粘结层将隔膜与负极极片稳固地粘接在一起，从而使得锂电池在组装、振动测试以及长期循环过程中能够承受足够的张力、压力与震动，避免因电池正、负极片之间，电芯与壳体之间的相对运动，导致的成品率低、微短路、自放电、内阻升高以及焊接极耳位松动或破坏等不良后果。

本申请的一些实施方式还提供一种动力锂电池，该动力锂电池包括前述实施方式提供的电芯。

该动力锂电池通过设置上述的电芯，能够使得大尺寸动力锂电池在保证锂电芯在组装、振动测试以及长期循环过程中承受足够的张力、压力与震动，从而提高长期循环性能和电池安全性。

下面结合实施例和对比例对本申请的特征和性能进行详细描述。

实施例1

提供一种动力锂电池，是这样制得的：

负极的制备：将石墨、导电炭黑、增稠剂羧甲基纤维素钠、粘结剂丁苯橡胶乳液按质量比96:1:1:2加入去离子水，在搅拌机中搅拌分散均匀，用150目筛网过滤得到所需的负极浆料，然后经过涂布、冷压、分切制成负极片。

正极的制备：将磷酸铁锂、导电剂、粘结剂聚偏氟乙烯按质量比97:1:2加入氮甲基吡咯烷酮(nmp)，在搅拌机中搅拌分散均匀，用150目筛网过滤得到所需的正极浆料，然后经过涂布、冷压、分切制成正极片。

电解液的配制：将碳酸乙烯酯ec、碳酸丙烯酯pc和碳酸二甲酯dmc按照体积比3:3:4配制成混合溶剂，然后再加入相关添加剂和锂盐六氟磷酸锂(lipf6)，配制lipf6的浓度为1m，搅拌均匀后得到电解液。

隔膜的制备：将聚丙烯酸酯、羧甲基纤维素钠、聚偏氟乙烯、聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物按质量比6:1:10:83加入去离子水，在搅拌机中搅拌分散均匀，用150目筛网过滤得到所需的浆料，然后通过凹版涂覆将所述浆料涂覆在隔离膜一个表面的两个端面上，烘干形成单面连续型纯粘结层。基材选用18um的三层聚丙烯多孔基膜，所述连续型纯粘结层的厚度为2um，其单边宽度的取值为10mm，隔离膜中间部位的空白区宽度是600mm。

电池的组装：将上述负极极片、隔离膜和正极极片叠片成电芯，铝塑复合膜封装，真空状态烘烤除去水分后注入定量电解液，对电池进行化成和容量测试，得到厚宽长分别为25mm、65mm、610mm的方形软包装锂离子电池。其中，对必要的测试项目，按一定方式直接用电芯组装成电池包。

实施例2

提供一种动力锂电池，是这样制得的：