隔离膜、其制备方法及其相关的二次电池和用电装置与流程

本技术属于电池，具体涉及一种隔离膜、其制备方法及其相关的二次电池和用电装置。

背景技术：

1、近年来，二次电池被广泛应用于水力、火力、风力和太阳能电站等储能电源系统，以及电动工具、电动自行车、电动摩托车、电动汽车、军事装备、航空航天等多个领域。随着二次电池的应用及推广，其使用寿命和安全问题，特别是热安全问题受到越来越多的关注。然而，目前用于提高二次电池热安全性能的方式往往不利于平衡二次电池的能量密度。因此，如何使二次电池兼顾高能量密度、高热安全性能和长使用寿命是二次电池设计的关键挑战所在。

技术实现思路

1、本技术的目的在于提供一种隔离膜、其制备方法及其相关的二次电池和用电装置，该隔离膜具有耐热性优良、水分含量低以及对电解液浸润特性良好等特点，从而使得使用该隔离膜的二次电池可兼顾高能量密度、高热安全性能和长使用寿命。

2、本技术第一方面提供一种隔离膜，包括多孔基材和设置在所述多孔基材的至少一个表面上的涂层，其中，所述涂层包括纳米纤维素和填料，所述隔离膜的水分含量为a ppm，所述涂层的厚度为hμm，并且所述隔离膜满足250≤a/h≤1500。

3、本技术的发明人经大量研究意外发现，通过在隔离膜的多孔基材的至少一个表面设置包含纳米纤维素和填料的涂层并使隔离膜水分含量与涂层厚度的比值控制在上述特定范围内，能够使隔离膜兼顾高耐热性、低水分含量和良好的电解液浸润特性。

4、在本技术的任意实施方式中，500≤a/h≤1500，可选地，600≤a/h≤1000。由此有助于涂层具有更稳定的空间网络结构和更合适含量的羟基官能团，从而能够使隔离膜兼顾高耐热性、低水分含量和良好的电解液浸润特性，使二次电池兼顾高热安全性能、长循环寿命和长存储寿命。

5、在本技术的任意实施方式中，400≤a≤1000，可选地，500≤a≤800。由此有助于涂层具有更稳定的空间网络结构和更合适含量的羟基官能团，从而能够使隔离膜更好地兼顾高耐热性、低水分含量和良好的电解液浸润特性，并能够进一步提升二次电池的循环寿命和存储寿命。

6、在本技术的任意实施方式中，0＜h≤1.5，可选地，0.2≤h≤0.8。由此有助于提升二次电池的能量密度。

7、在本技术的任意实施方式中，所述纳米纤维素包括纤维素纳米纤维、纤维素纳米晶须和细菌纳米纤维素中的至少一种，可选为纤维素纳米晶须。纤维素纳米晶须可具有较高的结晶度，由此可降低其亲水性，进而有利于干燥过程中水分排出，从而能使本技术的隔离膜具有较低的水分含量。

8、在本技术的任意实施方式中，所述纳米纤维素包括未改性纳米纤维素和改性纳米纤维素中的至少一种，可选为改性纳米纤维素。

9、在本技术的任意实施方式中，所述改性纳米纤维素包括改性基团，且所述改性基团包括胺基、羧酸基、醛基、磺酸基、硼酸基和磷酸基中的至少一种，可选地包括磺酸基、硼酸基和磷酸基中的至少一种。当纳米纤维素具有上述特定的改性基团时，一方面能够有效提高隔离膜的耐热性，提升二次电池的热安全性能，另一方面还有利于隔离膜在具有良好电解液浸润特性的前提下还具有较低的水分含量，从而能够进一步提升二次电池的电化学性能。

10、在本技术的任意实施方式中，所述改性纳米纤维素包括羟基和改性基团，且所述改性基团与所述羟基的摩尔比为1:4至4:1，可选为2:3至7:3。当改性基团与羟基的摩尔比在合适的范围内时，能够进一步提升隔离膜的耐热性和离子传输特性，并有助于使隔离膜具有较低的水分含量。

11、在本技术的任意实施方式中，所述纳米纤维素的长径比为5至80，可选为10至40。当纳米纤维素的长径比在合适的范围内时，能够进一步提高隔离膜的耐热性和离子传输特性。

12、在本技术的任意实施方式中，所述纳米纤维素的平均直径为10nm至40nm，可选为10nm至35nm。当纳米纤维素的平均直径在合适的范围内时，能够进一步提高隔离膜的耐热性、离子传输特性和耐电压击穿特性。

13、在本技术的任意实施方式中，所述纳米纤维素的平均长度为100nm至600nm，可选为200nm至500nm。当纳米纤维素的平均长度在合适的范围内时，能够进一步提高隔离膜的耐热性和离子传输特性。

14、在本技术的任意实施方式中，所述纳米纤维素的重均分子量为10000至60000，可选为30000至50000。

15、在本技术的任意实施方式中，所述纳米纤维素的平衡聚合度为150dp至300dp，可选为200dp至250dp。

16、当纳米纤维素的重均分子量和/或聚合度在合适的范围内时，不仅可以避免纳米纤维素堵塞隔离膜的孔道结构，而且可以使得涂层浆料的粘度在合适范围，由此涂布时浆料流动性和浸润性更优，进而更加有利于提升涂层的质量。

17、在本技术的任意实施方式中，所述涂层中的所述纳米纤维素的含量为6wt％至35wt％，可选为10wt％至30wt％，基于所述涂层的总重量计。

18、在本技术的任意实施方式中，所述涂层中的所述填料的含量为≥60wt％，可选为65wt％至90wt％，基于所述涂层的总重量计。

19、纳米纤维素和/或填料的含量在合适的范围内时，能够保证涂层浆料具有合适的粘度，更有利于涂布，还有利于隔离膜具有较低的水分含量和良好的电解液浸润特性；此外，还有利于填料与纳米纤维素搭建形成稳定的空间网络结构。

20、在本技术的任意实施方式中，所述填料包括选自无机颗粒和有机颗粒中的至少一种。

21、在本技术的任意实施方式中，所述填料的分解温度在200℃以上。

22、在本技术的任意实施方式中，所述填料包括第一填料，所述第一填料为由一次颗粒团聚形成的二次颗粒形貌。此时，纳米纤维素还可以搭接在构成所述二次颗粒形貌的填料的一次颗粒之间的空隙中，使于纳米纤维素和第一填料搭接形成一体化效果，由此涂层可以具有更稳定的空间网络结构，进而隔离膜可具有合适的空隙率和稳定的孔道结构，并且隔离膜还可兼顾低水分含量和良好的电解液浸润特性。

23、在本技术的任意实施方式中，所述第一填料的含量为50wt％至100wt％，可选为90wt％至99wt％，基于所述填料的总重量计。

24、在本技术的任意实施方式中，所述第一填料的平均粒径dv50为≤200nm，可选为50nm至200nm。

25、在本技术的任意实施方式中，所述第一填料的bet比表面积为≥20m2/g，可选为25m2/g至50m2/g。

26、当第一填料的含量、平均粒径dv50和bet比表面积中的至少一者在上述范围内时，能与纳米纤维素搭接形成一体化效果，由此涂层可以具有更稳定的空间网络结构，同时隔离膜可以具有更好的耐热性和对电解液的浸润特性。

27、在本技术的任意实施方式中，所述第一填料包括二次颗粒形貌的无机颗粒，且所述二次颗粒形貌的无机颗粒的晶型包括α晶型、θ晶型、γ晶型和η晶型中的至少两种，可选地包括α晶型、θ晶型和γ晶型中的至少两种。

28、在本技术的任意实施方式中，所述第一填料包括二次颗粒形貌的无机颗粒，所述二次颗粒形貌的无机颗粒的晶型包括θ晶型，且θ晶型的含量为≥50wt％，可选为60wt％至85wt％，基于所述二次颗粒形貌的无机颗粒的总重量计。

29、通过选择不同晶型的第一填料有助于提升隔离膜的耐热性和电解液浸润特性中的至少一者。

30、在本技术的任意实施方式中，所述填料还包括第二填料，所述第二填料为一次颗粒形貌。由此能够更好地发挥第二填料的支撑作用，提升隔离膜的耐热性，并且还有助于在用量较少时使涂层具有更多的孔道结构和更少的水分含量。

31、在本技术的任意实施方式中，所述第二填料的含量为≤50wt％，可选为1wt％至10wt％，基于所述填料的总重量计。

32、在本技术的任意实施方式中，所述第二填料的平均粒径dv50为100nm至800nm，可选为200nm至400nm。

33、在本技术的任意实施方式中，所述第二填料的bet比表面积为≤10m2/g，可选为4m2/g至9m2/g。

34、当第二填料的含量、平均粒径dv50和bet比表面积中的至少一者在上述范围内时，能够更好地发挥第二填料的支撑作用，有利于干燥过程中水分排出，并使涂层在长期充放电过程中保持合适的空隙率和稳定的孔道结构，进而能够进一步提升隔离膜的离子传输特性以及对电解液的浸润特性。

35、在本技术的任意实施方式中，所述第二填料包括一次颗粒形貌的无机颗粒，所述一次颗粒形貌的无机颗粒的晶型包括α晶型和γ晶型中的至少一种，可选地包括α晶型。由此能够进一步改善隔离膜的耐热性。

36、在本技术的任意实施方式中，所述第二填料包括一次颗粒形貌的无机颗粒，所述一次颗粒形貌的无机颗粒的晶型包括α晶型，且α晶型的含量为≥90wt％，可选为95wt％至100wt％，基于所述一次颗粒形貌的无机颗粒的总重量计。

37、在本技术的任意实施方式中，所述涂层还包括非颗粒状的粘结剂，可选地，所述非颗粒状的粘结剂包括水溶液型粘结剂。由此有利于涂层浆料的制备和涂布。

38、在本技术的任意实施方式中，所述涂层中的所述非颗粒状的粘结剂的含量为＜1wt％，基于所述涂层的总重量计。本技术能够在减少粘结剂用量的前提下使隔离膜还能保持高粘结性和良好的离子传输特性。

39、在本技术的任意实施方式中，所述多孔基材的厚度为≤6μm，可选为3μm至5μm。由此有助于进一步提升二次电池的能量密度。

40、在本技术的任意实施方式中，所述多孔基材的孔隙率为32％至48％，可选为34％至39％。多孔基材的孔隙率在合适的范围内时，有利于在确保隔离膜高耐热性的前提下，进一步提高隔离膜的离子传输特性；同时还可以保证二次电池具有高放电倍率，并降低电池自放电。

41、在本技术的任意实施方式中，所述涂层的面密度为0.6g/m2至1.5g/m2，可选为0.8g/m2至1.1g/m2。由此有助于形成耐热性更好的涂层。

42、在本技术的任意实施方式中，所述隔离膜还包括粘接层，所述粘接层设置在所述涂层的至少一部分表面上，所述粘接层包括颗粒状的粘结剂，可选地，所述颗粒状的粘结剂包括丙烯酸酯类单体均聚物或共聚物、丙烯酸类单体均聚物或共聚物、含氟烯烃单体均聚物或共聚物中的至少一种。粘接层不仅能够防止涂层脱落，提高二次电池的安全性能，而且能够改善隔离膜与电极的界面，提升二次电池的循环性能。

43、在本技术的任意实施方式中，所述隔离膜在150℃、1h下的纵向热收缩率为≤5％，可选为0.5％至4％。

44、在本技术的任意实施方式中，所述隔离膜在150℃、1h下的横向热收缩率为≤5％，可选为0.5％至4％。

45、在本技术的任意实施方式中，所述隔离膜的穿孔强度为≥350gf，可选为370gf至450gf。

46、在本技术的任意实施方式中，所述隔离膜的纵向拉伸强度为≥2000kg/cm2，可选为2500kg/cm2至4500kg/cm2。

47、在本技术的任意实施方式中，所述隔离膜的横向拉伸强度为≥2000kg/cm2，可选为2500kg/cm2至4500kg/cm2。

48、在本技术的任意实施方式中，所述隔离膜的透气度为≤300s/100ml，可选为100s/100ml至200s/100ml。

49、在本技术的任意实施方式中，所述隔离膜的孔隙率为30％至45％，可选为32％至36％。

50、在本技术的任意实施方式中，所述隔离膜的润湿长度为≥30mm，可选为30mm至80mm。

51、在本技术的任意实施方式中，所述隔离膜的润湿速度为≥3mm/s，可选为3mm/s至10mm/s。

52、当隔离膜的性能满足上述条件中的一个或几个时，有利于提升二次电池的能量密度、热安全性能、容量发挥特性和使用寿命中的至少一者。

53、本技术第二方面提供一种制备本技术第一方面的隔离膜的方法，包括以下步骤：s1，提供多孔基材；s2，配制涂层浆料：将纳米纤维素和填料按照预定比例在溶剂中混合，配制成所述涂层浆料；s3，涂布：将所述涂层浆料涂布于所述多孔基材的至少一个表面上，形成涂层并干燥，获得隔离膜，其中，所述隔离膜包括多孔基材和设置在所述多孔基材的至少一个表面上的涂层，所述涂层包括纳米纤维素和填料，所述隔离膜的水分含量为a ppm，所述涂层的厚度为hμm，并且所述隔离膜满足250≤a/h≤1500。本技术的隔离膜的制备方法通过一次涂布制得涂层，大大简化了隔离膜的生产工艺流程。

54、在本技术的任意实施方式中，所述涂布采用涂布机，所述涂布机包括凹版辊，所述凹版辊的线数为100lpi至300lpi，可选为125lpi至190lpi。

55、在本技术的任意实施方式中，所述涂布速度为30m/min至120m/min，可选为60m/min至90m/min。

56、在本技术的任意实施方式中，所述涂布的线速比为0.8至2.5，可选为0.8至1.5。

57、在本技术的任意实施方式中，所述干燥温度为40℃至70℃，可选为50℃至60℃。

58、在本技术的任意实施方式中，所述干燥时间为10秒至120秒，可选为20秒至80秒。

59、将上述各工艺参数控制在所给范围内，可以进一步改善本技术的隔离膜的性能。

60、在本技术的任意实施方式中，所述方法还包括以下步骤：s4，二次涂布：将包含颗粒状的粘结剂的浆料涂布在所述涂层的至少一部分表面上，干燥后形成粘接层。

61、本技术第三方面提供一种二次电池，包括本技术第一方面的隔离膜或通过本技术第二方面的方法制备的隔离膜。

62、本技术第四方面提供一种用电装置，包括本技术第三方面的二次电池。

63、本技术提供的隔离膜具有耐热性优良、水分含量低以及对电解液浸润特性良好等特点，从而使得使用该隔离膜的二次电池可兼顾高能量密度、高热安全性能和长使用寿命。本技术的用电装置包括本技术提供的二次电池，因而至少具有与二次电池相同的优势。